34. Свойства зарядов. Закон Кулона. Несмотря на огромное разнообразие веществ, в природе существует только два типа электрических зарядов: заряды, подобные возникающим на стекле, потертом о кожу (их назвали положительными), и заряды, подобные возникающим на эбоните, потертом о мех (их назвали отрицательными); одноименные заряды друг от друга отталкиваются, разноименные — притягиваются. Опытным путем (1910—1914) американский физик Р. Милликен (1868 — 1953) показал, что электрический заряд дискретен, т.е. заряд любого тела составляет целое кратное от элементарного электрического заряда е (е — — 1,6 • Кл). Электрон — = кг) и протон = = 1,67 • кг) являются соответствен146 но носителями элементарных отрицательного и положительного зарядов. Все тела в природе способны электризоваться, т.е. приобретать электрический заряд. Электризация тел может осуществляться различными способами: соприкосновением (трением), электростатической индукцией (см. § 92) и др. Всякий процесс заряжения сводится к разделению зарядов, при котором на одном из тел (или части тела) появляется избыток положительного заряда, а на другом (или другой части тела) — избыток отрицательного заряда. Общее количество зарядов обоих знаков, содержащихся в телах, не изменяется: эти заряды только перераспределяются между телами. Из обобщения опытных данных был установлен фундаментальный закон природы, экспериментально подтвержденный в 1843 г. английским физиком М. Фарадеем (1791 — 1867), — закон сохранения заряда: алгебраическая сумма электрических зарядов любой замкнутойсистемы (системы, не обменивающейся зарядами с внешними телами) остаетсянеизменной,какиебыпроцессы ни происходили внутри этой системы. Электрический заряд — величина релятивистски инвариантная, т.е. не зависит от системы отсчета, а значит, не зависит от того, движется этот заряд В зависимости от концентрации свободных зарядов тела делятся на проводники, диэлектрики и полупроводники. Проводники — тела, в которых электрический заряд может перемешаться по всему его объему. Проводники делятся на две группы: 1) проводники первого (металлы) — перенос в них зарядов (свободных электронов) не сопровождается химическими превращениями; 2) проводники второгорода (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. деление тел является весьма условным, однако большое различие в них концентраций свободных зарядов обусловливает огромные качественные различия в их поведении и поэтому оправдывает деление тел на проводники, диэлектрики и полупроводники. Единица электрического заряда (производная единица, так как определяется через единицу силы тока) — кулон (Кл): 1 Кл — электрический заряд, проходящий через поперечное сечение проводника при силе тока 1 А за время 1 с. § 78. Закон Кулона подобных тем, которые (см. § 22) использовались Г. Кавендишем для определения гравитационной постоянной (ранее этот закон был открыт Г. Кавендишем, однако его работа оставалась неизвестной более 100 лет). Точечным называется заряд, сосредоточенный на теле, линейные размеры которого пренебрежимо малы по сравнению с расстоянием до других заряженных тел, с которыми он взаимодействует. Понятие точечного заряда, как и материальной точки, является физической абстракцией. Закон Кулона: сила взаимодействия F между двумя неподвижными точечными зарядами, находящимися в вакууме, пропорциональна зарядам и и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними: где к — коэффициент пропорциональности, зависящий от выбора системы единиц. Сила F направлена по прямой, соединяющей взаимодействующие заряды, т.е. является центральной, и соответствует притяжению (F < 0) в случае разноименных зарядов и отталкиванию (F> 0) в случае одноименных. Эта сила называется кулоновской силой. В векторной форме закон Кулона имеет вид где — сила, действующая на заряд со стороны заряда r — радиусвектор, соединяющий заряд с зарядом r= (рис. На заряд со стороны заряда r — радиусвектор, соединяющий заряд с зарядом r= (рис. На заряд Закон взаимодействия неподвижных точечных электрических зарядов экспериментально установлен в 1785 г. Ш. Кулоном с помощью крутильных весов, § § 78. 78. Закон Закон Кулона Кулона Закон Закон взаимодействия взаимодействия неподвижных неподвижных очечных очечных электрических электрических зарядов зарядов экспеэкспеиментально иментально установлен установлен вв 1785 1785 г. г. Ш. Ш. КуКуоном оном сс помощью помощью крутильных крутильных весов, весов, подобных подобных тем, тем, которые которые (см. (см. § § 22) 22) исиспользовались Г. Кавендишем для пользовались Г. Кавендишем для опреопределения деления гравитационной гравитационной постоянной постоянной (ранее этот (ранее этот закон закон был был открыт открыт Г. Г. КавенКавендишем, однако его работа оставалась дишем, однако его работа оставалась ненеизвестной известной более более 100 100 лет). лет). Точечным Точечным называется называется заряд, заряд, сосресосредоточенный на теле, линейные доточенный на теле, линейные размеразмеры ры которого которого пренебрежимо пренебрежимо малы малы по по сравнению с расстоянием до других сравнению с расстоянием до других зазаряженных ряженных тел, тел, сс которыми которыми он он взаимовзаимодействует. Понятие точечного действует. Понятие точечного заряда, заряда, как как и и материальной материальной точки, точки, является является физической физической абстракцией. абстракцией. Закон Закон Кулона: Кулона: сила сила взаимодействия взаимодействия F между двумя неподвижными F между двумя неподвижными точечточечными ными зарядами, зарядами, находящимися находящимися вв вакувакууме, уме, пропорциональна пропорциональна зарядам зарядам и и и и обратно обратно пропорциональна пропорциональна квадрату квадрату расстояния расстояния между между ними: ними: где где к к — — коэффициент коэффициент пропорциональпропорциональности, зависящий ности, зависящий от от выбора выбора системы системы единиц. единиц. Сила Сила F F направлена направлена по по прямой, прямой, сосоединяющей взаимодействующие единяющей взаимодействующие зарязаряды, ды, т.е. т.е. является является центральной, центральной, и и соотсоответствует притяжению (F < 0) в ветствует притяжению (F < 0) в случае случае разноименных разноименных зарядов зарядов и и отталкиванию отталкиванию (F> 0) в случае одноименных. (F> 0) в случае одноименных. Эта Эта сила сила называется кулоновской силой. называется кулоновской силой. В В веквекторной торной форме форме закон закон Кулона Кулона имеет имеет вид вид где — где — сила, сила, действующая действующая на на заряд заряд со стороны заряда r — со стороны заряда r — радиусрадиусвектор, сс зарявектор, соединяющий соединяющий заряд заряд зарядом r= (рис. На заряд дом r= (рис. На заряд Рис.119 Рис.119 147 147 Рис.119 147 35. Напряжённость. Принцип суперпозиции Если в пространство, окружающее электрический заряд, внести другой заряд, то на него будет действовать кулоновская сила, следовательно в пространстве, окружающем электрические 148 заряды, существует силовое поле. Согласно представлениям современной физики, поле реально существует и наряду с веществом является одной из форм существования материи, посредством которого осуществляются определенные взаимодействия между макроскопическими телами или частицами, входящими в состав вещества. В данном случае говорят об электрическом поле — поле, посредством которого взаимодействуют электрические заряды. В данной главе будем рассматривать электрические поля, которые создаются неподвижными электрическими зарядами и называются электростатическими. Для обнаружения и опытного исследования электростатического поля используется пробный точечный положительный заряд — такой заряд, который не искажает исследуемое поле (не вызывает перераспределения зарядов, создающих поле). Если в поле, создаваемое зарядом Q, поместить пробный заряд Qo, то на него действует сила F, различная в разных точках ноля, которая, согласно закону Кулона (78.2), пропорциональна пробному заряду Qo. Поэтому отношение не зависит от Qo и характеризует электростатическое поле в той точке, где пробный заряд находится. Эта величина называется напряженностью и является силовой характеристикой электростатическо го поля. Напряженность электростатического поля в данной точке есть физическая величина, определяемая силой, действующей на пробный единичный положительный заряд, помещенный в эту точку поля: (79.1) няя нормаль, т.е. нормаль, направленная наружу области, охватываемой поверхностью. В истории развития физики имела место двух дальнодейКак борьба следует изтеорий: формул (79.1) и ствия и близкодействия. В теории даль(78.1), напряженность поля точечного нодействия принимается, что электризаряда в вакууме ческие явления определяются мгновенным взаимодействием зарядов на лю(79.2) бых расстояниях. Согласно теории близкодействия, все электрические явления определяются изменениями по- с Направление вектора Е совпадает лей зарядов, причем изменения рас-на направлением силы,эти действующей пространяются взаряд. пространстве от создаточположительный Если поле ки к точке с конечной скоростью. ется положительным зарядом, то векк электростатичестор ЁПрименительно направлен вдоль радиуса-вектоким полям обе теории даютпространство одинаковые ра от заряда во внешнее результаты, хорошо согласующиеся с (отталкивание пробного положительопытом. Переход же к явлениям, обусного заряда); движением если иоле создается отриловленным электрических цательным зарядом,к несостоятельносто вектор Ё назарядов, приводит правлен к заряду (рис. 120). ти теории дальнодействия, поэтому современной теорией взаимодействия Из формулы (79.1) следует, что заедиряженных частиц является теория ница напряженности электростатичеблизкодействия. ского поля — ньютон на кулон (Н/Кл): 1 Н/Кл — напряженность такого поля, которое на точечный заряд 1 Кл дей§ 80. Принцип суперпозиции ствует с силой в 1 Н; 1 Н/Кл = 1 В/м, электростатических полей. где В (вольт) — единица потенциала Поле диполя электростатического поля (см. § 84). Графически электро статическо е Рассмотрим систему неподвижных поле изображают наточечных зарядовс помощью •••> линий Экспепряженности — линии, касательные к 150 риментально установлено, сила вза-с в каждой точке что совпадают Для произвольной замкнутой повер- которым имодействия двух точечных зарядов хности S поток вектора Е сквозь эту направлением вектора Ё (рис. 121). не Им изменяется в присутствии других заряповерхность приписывается направление, совпадаюдов. Тогда результирующая сила F, дейс направлением в рас(79.3) щеествующая со стороны вектора поля на пробный сматриваемой линии. Таксил как в заряд равнаточке векторной сумме каждой данной точке пространства векприложенных к нему со стороны кажгде интеграл берется по замкнутой понапряженности имеет лишь одно из зарядов верхности S. Поток вектора Е является тордого алгебраической величиной: зависит не направление, то линии напряженности (80.1) только от конфигурации поля Ё, но и от никогда не пересекаются. выбора направления Для замкну- тых Для однородного поля (когда век- тор поверхностей за положительное на- напряженности Согласно (79.1), F = где Епов любой точке правление нормали принимается внешнапряженность результирующего поля,лиа стоянен по модулю и направлению) няя нормаль, т.е. нормаль, направлен— напряженность поля, создавае- мого напряженности параллельны векная наружу области, охватываемой по- ниизарядом Подставляя последние тору напряженности. Если поле создаверхностью. выражения в (80.1), получаем В истории развития физики имела ется точечным зарядом, то линии наместо борьба двух теорий: дальнодей- пряженности — радиальные прямые, (80.2) ствия и близкодействия. В теории даль- выходящие из заряда, если он положиа), и входящие в него, если нодействия принимается, что электри- телен (рис. Формула (80.2) выражает ческие явления определяются мгновен- заряд отрицателен (рис. 121, принцип б). суперпозиции (наложения) электроным взаимодействием зарядов на люстатических полей, согласно которобых расстояниях. Согласно теории му напряженность Ё результирующего близкодействия, все электрические явполя, создаваемого системой зарядов, ления определяются изменениями поравна геометрической сумме напряженлей зарядов, причем эти изменения расностей полей, создаваемых в данной пространяются в пространстве от точточке каждым из зарядов в отдельности. ки к точке с конечной скоростью. Отметим, что принцип суперпозиПрименительно к электростатичесции является обобщением опытных ким полям обе теории дают одинаковые данных и, возможно, нарушается на результаты, хорошо согласующиеся с малых расстояниях м). опытом. Переход же к явлениям, обусПринцип суперпозиции позволяет ловленным движением электрических рассчитать электростатические поля зарядов, приводит к несостоятельнослюбой системы неподвижных зарядов, ти теории дальнодействия, поэтому сопоскольку если заряды не точечные, то временной теорией взаимодействия заих можно всегда мысленно разделить ряженных частиц является теория на малые части, считая каждую из них близкодействия. точечным зарядом. Применим принцип суперпозиции для расчета электростатического поля § 80. Принцип суперпозиции электрического диполя. Электричеэлектростатических полей. ский диполь — система двух равных по Поле диполя модулю разноименных точечных зарядов (+Q, — Q), расстояние между ко- — напряженность поля, создавае- мого зарядом Подставляя последние выражения в (80.1), получаем (80.2) Формула (80.2) выражает принцип суперпозиции (наложения) электростатических полей, согласно которому напряженность Ё результирующего Рис. 121 Рис. 120 поля, создаваемого системой зарядов, равна геометрической сумме напряжен- граВследствие большой наглядности ностей полей, создаваемых в данной элекфический способ представления точке каждым из зарядов отдельности. тростатического поляв широко применяОтметим, что принцип суперпозиется в электротехнике. ции является обобщением опытных Чтобы с помощью линий напряженданных и, возможно, нарушается на ности можно было характеризовать не малых расстояниях м). только направление, но и значение наПринцип суперпозиции позволяет пряженности электростатического рассчитать электростатические поля поля, условились их зарядов, с определенлюбой системыпроводить неподвижных поскольку если заряды ной густотой (рис.не точечные, числотолиний ихнапряженности, можно всегда мысленно разделить едипронизывающих наницу малыеплощади части, считая каждую изперпендиних поверхности, точечным зарядом. кулярную линиям напряженности, долПрименим принцип суперпозиции жно быть равно модулю вектора Е. Тогдля расчета электростатического поля да число линий напряженности, прониэлектрического диполя. Электричезывающих площадку ский диполь —элементарную система двух равных по dS, нормаль которой точечных образует заряугол а с модулю разноименных вектором Ё, равно a дов (+Q, — Q), расстояние между ко- где вектора Ё на нормаль п торымипроекция значительно меньше расстояплощадке 123). Величина называется потоком вектора напряженности сквозь площадку dS. Здесь = dSn — вектор, модуль которого равен dS, а направление совпадает с направлением нормали п площадке. Выбор направления вектора п (а следовательно, и dS) условен, так как его можно направить в любую сторону. Единицапотокавекторанапряженностиэлектростатическогополя — вольтметр (В•м). Рис. 122 Рис. 123 36. Поток Н/Кл — напряженность такого поля, которое на точечный заряд 1 Кл действует с силой в 1 Н; 1 Н/Кл = 1 В/м, где В (вольт) — единица потенциала напряжённости электрического поля. электростатического поля (см. § 84). Графически электро статическо е поле изображают с помощью линий напряженности — линии, касательные к которым в каждой точке совпадают с направлением вектора Ё (рис. 121). Им приписывается направление, совпадающее с направлением вектора в рассматриваемой точке линии. Так как в каждой данной точке пространства вектор напряженности имеет лишь одно направление, то линии напряженности никогда не пересекаются. Для однородного поля (когда век- тор напряженности в любой точке постоянен по модулю и направлению) линии напряженности параллельны вектору напряженности. Если поле создается точечным зарядом, то линии напряженности — радиальные прямые, выходящие из заряда, если он положителен (рис. а), и входящие в него, если заряд отрицателен (рис. 121, б). жно быть равно модулю вектора Е. Тогда число линий напряженности, пронизывающих элементарную площадку dS, нормаль Гаусса которой образует угол а с Теорема вектором Ё, равно a где проекция вектора Ё на нормаль п площадке 123). Величина называется потоком вектора напряженности сквозь площадку dS. Здесь = dSn — вектор, модуль которого равен dS, а направление совпадает с направлением нормали п площадке. Выбор направления вектора п (а следовательно, и dS) условен, так как его можно направить в любую сторону. Единицапотокавекторанапряженностиэлектростатическогополя — вольтметр (В•м). Рис. 122 Рис. 123 следует из формул (79.1) и напряженность поля точечного в вакууме (79.2) равление вектора Е совпадает с лением силы, действующей на тельный заряд. Если поле создаложительным зарядом, то векаправлен вдоль радиуса-векторяда во внешнее пространство ивание пробного положительряда); если иоле создается отриым зарядом, то вектор Ё нан к заряду (рис. 120). формулы (79.1) следует, что едиапряженности электростатичеля — ньютон на кулон (Н/Кл): 1 — напряженность такого поля, на точечный заряд 1 Кл дейсилой в 1 Н; 1 Н/Кл = 1 В/м, вольт) — единица потенциала татического поля (см. § 84). фически электро статическо е ображают с помощью линий наности — линии, касательные к м в каждой точке совпадают с ением вектора Ё (рис. 121). Им вается направление, совпадаюаправлением вектора в расаемой точке линии. Так как в данной точке пространства векряженности имеет лишь одно ение, то линии напряженности не пересекаются. однородного поля (когда век- тор енности в любой точке попо модулю и направлению) лиряженности параллельны векпряженности. Если поле создачечным зарядом, то линии наности — радиальные прямые, щие из заряда, если он положиис. а), и входящие в него, если трицателен (рис. 121, б). Рис. 120 Рис. 121 Вследствие большой наглядности графический способ представления электростатического поля широко применяется в электротехнике. Чтобы с помощью линий напряженности можно было характеризовать не только направление, но и значение напряженности электростатического поля, условились проводить их с определенной густотой (рис. число линий напряженности, пронизывающих единицу площади поверхности, перпендикулярную линиям напряженности, должно быть равно модулю вектора Е. Тогда число линий напряженности, пронизывающих элементарную площадку dS, нормаль которой образует угол а с вектором Ё, равно a где проекция вектора Ё на нормаль п площадке 123). Величина называется потоком вектора напряженности сквозь площадку dS. Здесь = dSn — вектор, модуль которого равен dS, а направление совпадает с направлением нормали п площадке. Выбор направления вектора п (а следовательно, и dS) условен, так как его можно направить в любую сторону. Единицапотокавекторанапряженностиэлектростатическогополя — вольтметр (В•м). Рис. 122 Рис. 123 ному). § 81. Теорема Гаусса дляэлектростатическогополя (79.3) в вакууме Вычисление напряженности поля системы электрических зарядов с помощью принципа суперпозиции электростатических полей можно значительно упростить, используя выведенную немецким ученым К.Гауссом (1777 — 1855) теорему, определяющую поток вектора напряженности электрического поля сквозь произвольную замкнутую поверхность. В соответствии с формулой (79.3) поток вектора напряженности сквозь сферическую поверхность радиуса охватывающую точечный заряд Q, находящийся в ее центре (рис. 126), равен Этот результат справедлив для замкнутой поверхности любой формы. Действительно, если окружить сферу (рис. 126) произвольной замкнутой поверхностью, то каждая линия напряженности, пронизывающая сферу, пройдет и сквозь эту поверхность. 152 Если замкнутая поверхность произвольной формы охватывает заряд (рис. 127), то при пересечении любой выбранной линии напряженности с поверхностью она то входит в нее, то выходит из нее. Нечетное число пересечений при вычислении потока в конечном счете сводится к одному пересечению, так как поток считается положительным, если линии напряженности выходят из поверхности, и отрицательным для линий, входящих в поверхность. Если замкнутая поверхность не охватывает заряда, то поток сквозь нее равен нулю, так как число линий напряженности, входящих в поверхность, равно числу линий напряженности, выходящих из нее. Таким образом, для поверхности любой формы, если она замкнута и заключает в себя точечный заряд Q, поток вектора Е будет равен —, т. е. Знак потока совпадает со знаком заряда Q. Рассмотрим общий случай произвольной поверхности, окружающей п зарядов. В соответствии с принципом суперпозиции (80.2) напряженность Ё (80.5) авив в выражение (80.5) зна.4), получим р имеет направление, прожное вектору электрического диполя (вектор направлен от льного заряда к положитель- 81. Теорема Гаусса ектростатическогополя в вакууме ление напряженности поля лектрических зарядов с помонципа суперпозиции электроих полей можно значительно ь, используя выведенную неученым К.Гауссом (1777 — рему, определяющую поток апряженности электрическоквозь произвольную замкнурхность. тветствии с формулой (79.3) ктора напряженности сквозь кую поверхность радиуса ющую точечный заряд Q, ная в ее центре (рис. 126), равен езультат справедлив для замкерхности любой формы. Дейо, если окружить сферу (рис. извольной замкнутой поверхо каждая линия напряженноизывающая сферу, пройдет и у поверхность. Рис. 126 Рис. 127 Если замкнутая поверхность произвольной формы охватывает заряд (рис. 127), то при пересечении любой выбранной линии напряженности с поверхностью она то входит в нее, то выходит из нее. Нечетное число пересечений при вычислении потока в конечном счете сводится к одному пересечению, так как поток считается положительным, если линии напряженности выходят из поверхности, и отрицательным для линий, входящих в поверхность. Если замкнутая поверхность не охватывает заряда, то поток сквозь нее равен нулю, так как число линий напряженности, входящих в поверхность, равно числу линий напряженности, выходящих из нее. Таким образом, для поверхности любой формы, если она замкнута и заключает в себя точечный заряд Q, поток вектора Е будет равен —, т. е. Знак потока совпадает со знаком заряда Q. Рассмотрим общий случай произвольной поверхности, окружающей п зарядов. В соответствии с принципом суперпозиции (80.2) напряженность Ё поля, создаваемого всеми зарядами, равна сумме напряженностей полей, создаваемых каждым зарядом в отдельности: Поэтому Согласно (81.1), каждый из интегралов, стоящий под знаком суммы, равен Следовательно, (81.2) Формула (81.2) выражает теоре- му Гаусса для электростатическо- го поля в вакууме: поток вектора напряженности электростатического поля в вакууме сквозь произвольную замкнутую поверхность равен алгебраической сумме заключенных внутри этой поверхности зарядов, деленной па Эта теорема выведена математически для векторного поля лю- бой природы русским математиком В. Остроградским (1801 -1862), а затем независимо от него примени- тельно к электростатическому полю — К. Гауссом. В общем случае электрические заряды могут быть «размазаны» с некоторой объемной плотностью р = различной в разных местах пространства. Тогда суммарный заряд, заключенный внутри замкнутой поверхности S, охватывающей некоторый объем V, равен Используя этот ре- зультат, теорему Гаусса (81.2) можно записать так: § 82. Применение теорем Гаусса к расчету некотор электростатических пол в вакууме 1. Поле равномерно заряженной нечной плоскости. Бесконечная пло (рис. 128) заряжена с постоянной по ностной плотностью ряд, приходящийся на единицу пове ти). Линии напряженности перпенди ны рассматриваемой плоскости и нап ны от нее в обе стороны. В качестве замкнутой поверхност ленно построим цилиндр, основани рого параллельны заряженной плоск ось перпендикулярна ей. Так как об щие цилиндра параллельны линиям женности (cos = 0), то поток вект пряженности сквозь боковую повер цилиндра равен нулю, а полный сквозь цилиндр равен сумме потоков его основания (площади оснований и для основания совпадает с Е), вен 2ES. Заряд, заключенный внутр роенной цилиндрической поверхнос вен Согласно теореме Гаусса ,откуда (8 Следует отметить, что это формул ведлива только для малых (по сравн размерами плоскости) расстояний о кости, так как только тогда плоскост но считать бесконечной. Из формулы следует, что поле равномерно заряж плоскостиоднородно. 2. Поле двух бесконечных пара ных разноименно заряженных плос (рис. 129). Пусть плоскости заряжен Р го поля. Напряженность электрост § 79. Электростатическое поле. ческого поля в данной точке ест Напряженность зическаяпотенциала. величина, определяема 37. Работа электрического поля. Напряжение. Потенциал. Градиент электростатического поля лой, действующей на пробный ед Циркуляция электростатического поля ный положительный заряд, пом Если в пространство, окружающее ный в эту точку поля: электрический заряд, внести другой заряд, то на него будет действовать кулоновская сила, следовательно в пространстве, окружающем электрические стороны заряда действует сила = В СИ коэффициент пропорциольности Тогда закон Кулона в CPI запишетв виде: Величина называется электрикой постоянной; она относится к слу фундаментальных физических стоянных и равна е фарад (Ф) — единица электроемти (см. § 93)]. Тогда Точность выполнения закона Кулона больших расстояниях, вплоть до м, установлена при исследовании гнитного поля с помощью спутников колоземном пространстве. Точность его выполнения на малых расстояях, вплоть до 10~17 м, проверена эксриментами по взаимодействию элентарных частиц. 79. Электростатическое поле. Напряженность электростатического поля Если в пространство, окружающее ктрический заряд, внести другой зад, то на него будет действовать куловская сила, следовательно в проанстве, окружающем электрические 148 заряды, существует силовое поле. Согласно представлениям современной физики, поле реально существует и наряду с веществом является одной из форм существования материи, посредством которого осуществляются определенные взаимодействия между макроскопическими телами или частицами, входящими в состав вещества. В данном случае говорят об электрическом поле — поле, посредством которого взаимодействуют электрические заряды. В данной главе будем рассматривать электрические поля, которые создаются неподвижными электрическими зарядами и называются электростатическими. Для обнаружения и опытного исследования электростатического поля используется пробный точечный положительный заряд — такой заряд, который не искажает исследуемое поле (не вызывает перераспределения зарядов, создающих поле). Если в поле, создаваемое зарядом Q, поместить пробный заряд Qo, то на него действует сила F, различная в разных точках ноля, которая, согласно закону Кулона (78.2), пропорциональна пробному заряду Qo. Поэтому отношение не зависит от Qo и характеризует электростатическое поле в той точке, где пробный заряд находится. Эта величина называется напряженностью и является силовой характеристикой электростатическо го поля. Напряженность электростатического поля в данной точке есть физическая величина, определяемая силой, действующей на пробный единичный положительный заряд, помещенный в эту точку поля: (79.1) я как характеристика сторонних сил. ДС, как и потенциал, выражается в ольтах [ср. (84.9) и (97.1)]. Сторонняя сила действующая на аряд может быть выражена как де — напряженность поля стороних сил. Работа сторонних сил по перемещеию заряда на замкнутом участке епи Разделив (97.2) на получим выажение для действующей в цепи: .е. ЭДС, действующая в замкнутой епи, может быть определена как цируляция вектора напряженности поля торонних сил. ЭДС, действующая на частке 1 — 2, равна (97.3) На заряд помимо сторонних сил ействуют также силы электростатиеского поля Таким образом, езультирующая сила, действующая в епи на заряд равна = + = + Е). Работа, совершаемая результирующей силой над зарядом на участке — 2, равна Используя выражения (97.3) и 84.8), можем записать цепи работа электро=Для замкнутой — проекция вектора Ё на настатических равна нулю (см. § 83), правлениесил элементарного перемещепоэтому в данном случае ния. Тогда формулу (83.2) можно запиНапряжением U на участке 1 — 2 насать в виде зывается физическая величина, определяемая работой, совершаемой суммар(83.3) ным полем электростатических (кулоновских) и сторонних сил при перемещении единичного положительного заИнтеграл = называетряда на данном участке цепи. Таким L L образом, согласно (97.4), ся циркуляцией вектора напряженности. Таким образом, циркуляция вектора напряженности электростатического вдоль любого замкнутого Понятиенапряженияявляетсяобобконтура равна разности нулю. Силовое поле, общением понятия потенциалов: ладающее на свойством напряжение концах (83.3), участканазываетцепи ся потенциальным. Из обращения равно разности потенциалов в том слу- в нуль вектора Е следует, чае, еслициркуляции на этом участке не действует что линии напряженности электростаЭДС, т. е. сторонние силы отсутствуют. тического поля не могут быть замкнутыми, они начинаются и кончаются на зарядах (соответственно на положи§ 98. Закон Ома. тельных или отрицательных) или же Сопротивление проводников уходят в бесконечность. Формула (83.3) справедлива только Немецкий физик Г. Ом (1787 —1854) для электростатического поля. В дальэкспериментально установил, что сила нейшем будет показано, что для поля тока I, текущего по однородному металдвижущихся зарядов (поля, изменяюлическому (т.е. проводщегося сопроводнику временем) условие (83.3) не нику, в котором не действуют сторонвыполняется (для него циркуляция ниевектора силы), пропорциональна напряженности напряжеотлична от нию U на концах проводника нуля). (98.1) § 84. Потенциал где R — электрическое сопротивление электростатического поля проводника. Уравнение (98.1) выражает закон Ома Тело, находящееся в потенциальном дляучастка (не содержаще- поле го поле сил цепи (а электростатическое источника сила тока в проводнике являетсятока): потенциальным), обладает прямо пропорциональна прилопотенциальной энергией, заженному счет котонапряжению и совершается обратно пророй силами поля работа порциональна сопротивлению провод156 Формула (98.1) позволяет устаника. новить единицусопротивления ом (Ом): 1 Ом — сопротивление такого провод179 циальных энергий, которыми обладает точечный заряд в начальной и конечной точках поля заряда (84.1) откуда следует, что потенциальная энергия заряда в поле заряда Q равна Потенциальная энергия ется с точностью до постоянной С. Значение постоянной обычно выбирается так, чтобы при удалении заряда на бесконечность оо) потенциальная энергия обращается в нуль ( U= 0), тогда С = 0 и потенциальная энергия заряда находящегося в поле заряда Q на расстоянии от него, равна (84.2) Для одноименных зарядов >0и потенциальная энергия их взаимодействия (отталкивания) положительна, для разноименных зарядов < 0 и потенциальная энергия их взаимодействия (притяжения) отрицательна. Если поле создается системой п точечных зарядов то работа электростатических сил, совершаемая над зарядом равна алгебраической сумме работ сил, обусловленных каждым из зарядов в отдельности. Поэтому потенциальная энергия находящегося в этом поле, равна сумме потенциальных энергий каждого из зарядов: Если в качестве заряда, переносимого в электростатическом поле, взять единичный точечный положительный заряд, то элементарная работа сил поля на пути равна — где = = — проекция вектора Ё на направление элементарного перемещения. Тогда формулу (83.2) можно записать в виде (см. § 12). Работа консервативных сил совершается за счет убыли потенциальной энергии [см. (12.2)]. Тогда работу (83.1) сил электростатического поля можно представить как разность потенциальных энергий, которыми обладает точечный заряд в начальной и конечной точках поля заряда (83.3) (84.1) Интеграл называет- = L L ся циркуляцией вектора напряженности. Таким образом, циркуляция вектора напряженности электростатического вдоль любого замкнутого контура равна нулю. Силовое поле, обладающее свойством (83.3), называется потенциальным. Из обращения в нуль циркуляции вектора Е следует, что линии напряженности электростатического поля не могут быть замкнутыми, они начинаются и кончаются на зарядах (соответственно на положительных или отрицательных) или же уходят в бесконечность. Формула (83.3) справедлива только для электростатического поля. В дальнейшем будет показано, что для поля движущихся зарядов (поля, изменяющегося со временем) условие (83.3) не выполняется (для него циркуляция вектора напряженности отлична от нуля). § 84. Потенциал электростатического поля Тело, находящееся в потенциальном поле сил (а электростатическое поле является потенциальным), обладает потенциальной энергией, за счет которой силами поля совершается работа 156 откуда следует, что потенциальная энергия заряда в поле заряда Q равна Потенциальная энергия ется с точностью до постоянной С. Значение постоянной обычно выбирается так, чтобы при удалении заряда на бесконечность оо) потенциальная энергия обращается в нуль ( U= 0), тогда С = 0 и потенциальная энергия заряда находящегося в поле заряда Q на расстоянии от него, равна (84.2) Для одноименных зарядов >0и потенциальная энергия их взаимодействия (отталкивания) положительна, для разноименных зарядов < 0 и потенциальная энергия их взаимодействия (притяжения) отрицательна. Если поле создается системой п точечных зарядов то работа электростатических сил, совершаемая над зарядом равна алгебраической сумме работ сил, обусловленных каждым из зарядов в отдельности. Поэтому потенциальная энергия находящегося в этом поле, равна сумме потенциальных энергий каждого из зарядов: (84.3) Из формул (84.2) и (84.3) вытекает, что отношение — не зависит от и является энергетической характеристикойэлектростатическогополя,называемой потенциалом: Потенциал в какой-либо точке электростатического поля есть физическая величина, определяемая потенциальной энергией единичного положительного заряда, помещенного в эту точку. Из формул (84.4) и (84.2) следует, что потенциал поля, создаваемого точечным зарядом Q, равен (84.5) Работа, совершаемая силами электростатического поля при перемещении заряда ИЗ ТОЧКИ в точку 2 [см. (84.1), (84.4), (84.5)], может быть представлена как т. е. равна произведению перемещаемого заряда на разность потенциалов в начальной и конечной точках. Разность потенциалов двух точек 1 в в электростатическом поле определяется работой, совершаемой силами поля, при перемещении единичного положительного заряда из точки 1 в точку 2. При решении конкретных задач физический смысл имеет разность потенциалов между двумя точками электростатического Работа сил поля при перемещении заряда ИЗ ТОЧКИ 1 в точку 2 может быть записана также в виде (84.7) Приравняв (84.6) и (84.7), придем к выражению для разности потенциалов: где интегрирование можно производить вдоль любой линии, соединяющей начальную и конечную точки, так как работа сил электростатического поля не зависит от траектории перемещения. Если перемещать заряд из произвольной точки за пределы поля, т. е. на бесконечность, где, по условию, потенциал равен нулю, то работа сил электростатического поля, согласно (84.6), откуда (84.9) Таким образом, потенциал — физическая величина, определяемая работой по перемещению единичного положительного заряда при удалении его из данной точки поля на бесконечность. Эта работа численно равна работе, совершаемой внешними силами (против сил электростатического поля) по перемещению единичного положительного заряда из бесконечности в данную точку поля. Из выражения (84.4) и (84.6) следует, что единица потенциала и разности потенциалов — вольт (В): 1 В — потенциал такой точки поля, в которой заряд в 1 Кл обладает потенциальной энергией 1 Дж (1 В = 1 Дж/Кл). Учитывая размерность вольта, можно показать, что введенная в § 79 единица напряженности электростатического поля действительно равна 1 В/м: 1 Н/Кл — = • м/(Кл • м) = 1 • м) 1 В/м. 157 Определение градиента: Из формул (84.3) и (84.4) вытекает, что если поле создается несколькими зарядами, то потенциал поля системы зарядов равен алгебраической сумме потенциалов полей всех этих зарядов: Рис. 133 § 85. Напряженность как градиент потенциала. Эквипотенциальные поверхности т. е. напряженность Ё поля равна градиенту потенциала со знаком «—». Знак «—» определяется тем, что вектор напряженности Е поля направлен в сторону убывания потенциала. Для графического изображения распределения потенциала электростатического поля, как и в случае поля тяготения (см. § 25), пользуются эквипотенциальными поверхностями — поверхностями, во всех точках которых потенциал имеет одно и то же значение. Если поле создается точечным зарядом, то его потенциал, согласно (84.5), Найдем взаимосвязь между напряТаким образом, эквипоженностью электростатического потенциальные поверхности в данном ля — силовой характеристикой поля, и потенциалом — энергетической харакслучае — концентрические сферы. С теристикой поля. другой стороны, линии напряженно- сти в случае точечноговдоль зарядапроизвольной — ради- траектории (рис. Работа по перемещению единичного 134) перемещается точечного положительного заряда из альные прямые. Следовательно, линии другой точечный заряд точечного то сила, заприложенная к заряду, одной точки поля в другую вдоль оси х напряженности в случае совершает работу. при условии, что точки расположеряда тперпендикулярны эквипотенциаль- Работа силы F на мерно с линейной ны плотностью (т = — элементарном перемещении равна бесконечно близко друг к другу и ным поверхностям. заряд, приходящийся на единицу длины). — равна Та же работа Линии напряженности всегда норИз соображений симметрии следует, что лиравна — = Приравняв оба вымальны к эквипотенциальным поверхнии напряженности будут направлены по ражения, можем записать ностям. Действительно, все точки эквирадиусам круговых сечений цилиндра с одинаковой густотой во всепотенциальной стороны относи- поверхности имеют тельно оси цилиндра. одинаковый потенциал, поэтому рабо(85.1) В качестве замкнутойта поверхности мыспо перемещению заряда вдоль этой ленно построим коаксиальный цилиндрравна ра- нулю, т. е. электроповерхности и высотой рис. 133). Поток где символ частной диусом производной под- (см.статические силы, действующие на завектора Е сквозь торцы коаксиального ципри перемещении заряда черкивает, что дифференцирование ряд, всегда направленыРабота по нормалям к нулю (торцы параллельны лииз точки 1 в точку 2 производится тольколиндра по х.равен Повторив эквипотенциальным поверхностям. ниям напряженности), а сквозь боковую поаналогичные рассуждения для осей у и Следовательно, верхность равен По теореме Гауссавектор Ё всегда нормаz, можем найти вектор Ё: леи к эквипотенциальным поверхнос(81.2), при тям, откуда а поэтому линии вектора Ё ортогональны этим поверхностям. Эквипотенциальных поверхностей (83.1) (82.5) вокруг каждого заряда и каждой систегде — единичные векторы коормыповерхность зарядов можно бесчисленЕсли < то замкнутая за- провести не зависит от траектории перемещения, динатных осей x,y,z.рядов внутри не содержит, ноепоэтому множество. их обычно пров этойОднако а определяется только положениями Из определения градиента и образом, водят так, чтобы разности потенциалов области Е =(12.4) 0. Таким напряженначальной 1 и конечной 2 точек. Сле(12.6) следует, что ность поля вне равномерно заряженного между любыми двумя соседними эквидовательно, электростатическое поле бесконечного цилиндра определяется выра- поверхностями потенциальными были 158 жением (82.5), внутри же его поле отсутствует. § 83. Циркуляция вектора напряженности электростатического поля Если в электростатическом поле точечного заряда Q из точки 1 в точку 2 точечного заряда является потенциальным, а электростатические силы — консервативными (см. § 12). Из формулы (83.1) следует, что работа, совершаемая при перемещении электрического заряда во внешнем электростатическом поле по любому замкнутому пути L, равна нулю, т. е. (83.2) 155 Рис. 133 мерно с линейной плотностью т (т = — заряд, приходящийся на единицу длины). Из соображений симметрии следует, что линии напряженности будут направлены по радиусам круговых сечений цилиндра с одинаковой густотой во все стороны относительно оси цилиндра. В качестве замкнутой поверхности мысленно построим коаксиальный цилиндр радиусом и высотой (см. рис. 133). Поток вектора Е сквозь торцы коаксиального цилиндра равен нулю (торцы параллельны линиям напряженности), а сквозь боковую поверхность равен По теореме Гаусса (81.2), при вдоль произвольной траектории (рис. 134) перемещается другой точечный заряд то сила, приложенная к заряду, совершает работу. Работа силы F на элементарном перемещении равна Работа при перемещении заряда из точки 1 в точку 2 откуда (82.5) Если < то замкнутая поверхность зарядов внутри не содержит, поэтому в этой области Е = 0. Таким образом, напряженность поля вне равномерно заряженного бесконечного цилиндра определяется выражением (82.5), внутри же его поле отсутствует. § 83. Циркуляция вектора напряженности электростатического поля Если в электростатическом поле точечного заряда Q из точки 1 в точку 2 (83.1) не зависит от траектории перемещения, а определяется только положениями начальной 1 и конечной 2 точек. Следовательно, электростатическое поле точечного заряда является потенциальным, а электростатические силы — консервативными (см. § 12). Из формулы (83.1) следует, что работа, совершаемая при перемещении электрического заряда во внешнем электростатическом поле по любому замкнутому пути L, равна нулю, т. е. (83.2) 155 Если в качестве заряда, переносимого в электростатическом поле, взять единичный точечный положительный заряд, то элементарная работа сил поля на пути равна — где = = — проекция вектора Ё на направление элементарного перемещения. Тогда формулу (83.2) можно записать в виде (см. § 12). Работа консервативных сил совершается за счет убыли потенциальной энергии [см. (12.2)]. Тогда работу (83.1) сил электростатического поля можно представить как разность потенциальных энергий, которыми обладает точечный заряд в начальной и конечной точках поля заряда (83.3) (84.1) Интеграл называет- = L L ся циркуляцией вектора напряженности. Таким образом, циркуляция вектора напряженности электростатического вдоль любого замкнутого контура равна нулю. Силовое поле, обладающее свойством (83.3), называется потенциальным. Из обращения в нуль циркуляции вектора Е следует, что линии напряженности электростатического поля не могут быть замкнутыми, они начинаются и кончаются на зарядах (соответственно на положительных или отрицательных) или же уходят в бесконечность. Формула (83.3) справедлива только для электростатического поля. В дальнейшем будет показано, что для поля движущихся зарядов (поля, изменяющегося со временем) условие (83.3) не выполняется (для него циркуляция вектора напряженности отлична от нуля). § 84. Потенциал электростатического поля Тело, находящееся в потенциальном поле сил (а электростатическое поле является потенциальным), обладает потенциальной энергией, за счет которой силами поля совершается работа 156 откуда следует, что потенциальная энергия заряда в поле заряда Q равна Потенциальная энергия ется с точностью до постоянной С. Значение постоянной обычно выбирается так, чтобы при удалении заряда на бесконечность оо) потенциальная энергия обращается в нуль ( U= 0), тогда С = 0 и потенциальная энергия заряда находящегося в поле заряда Q на расстоянии от него, равна (84.2) Для одноименных зарядов >0и потенциальная энергия их взаимодействия (отталкивания) положительна, для разноименных зарядов < 0 и потенциальная энергия их взаимодействия (притяжения) отрицательна. Если поле создается системой п точечных зарядов то работа электростатических сил, совершаемая над зарядом равна алгебраической сумме работ сил, обусловленных каждым из зарядов в отдельности. Поэтому потенциальная энергия находящегося в этом поле, равна сумме потенциальных энергий каждого из зарядов: Чтобы уничтожить остаточную поги постоянных магнитов). Эти группы веяризованность, надо приложить элекществ находят широкое применение в техрическое поле обратного направления нике и бытовых устройствах. Величина называется коэрци38.(от Проводники постоянном электрическом поле. Электроёмкость. тивной силой лат. coercitio —в удерживание). Если далее изменять Е, то Р § 92. Проводники зменяется по кривой 3 петли гистев электростатическом поле езиса. Интенсивному изучению сегнетоЕсли поместить проводник во внешлектриков послужило открытие акаденее электростатическое поле или его миком Б.М.Вулом (1903—1985) анозарядить, то на заряды проводника бумальных диэлектрических свойств тидет действовать электростатическое аната бария. Титанат бария из-за его поле, в результате чего они начнут пеимической устойчивости и ремещаться. Перемещение зарядов механической прочности, а также из-за (ток) продолжается до тех пор, пока не охранения сегнетоэлектрических установится равновесное распределевойств в широком температурном инние зарядов, при котором электростаервале нашел большое научно-технитическое поле внутри проводника обраеское в качещается в нуль. Это происходит в течетве генератора и приемника ультразвуние очень короткого времени. В самом овых волн). В настоящее время извесделе, если бы поле не было равно нулю, но более сотни сегнетоэлектриков, не то в проводнике возникло бы упорядочитая их твердых растворов. ченное движение зарядов без затраты лектрики широко применяются также энергии от внешнего источника, что качестве материалов, обладающих противоречит закону сохранения энерольшими значениями (например, в гии. Итак, напряженность поля во всех онденсаторах). точках внутри проводника равна нулю: упомянуть еще о пьезоэлектиках ~ кристаллических веществах, в ко167 Конденсаторы Отсутствие поля внутри проводника означает, согласно (85.2), что потенциал во всех точках внутри проводника постоянен = const), т.е. поверхность проводника в электростатическом поле является эквипотенциальной (см. § 85). Отсюда же следует, что вектор напряженности поля на внешней поверхности проводника направлен по нормали к каждой точке его поверхности. Если бы это было не так, то под действием касательной составляющей Ё начали бы по поверхности проводника перемещаться, что, в свою очередь, противоречило бы равновесному распределению зарядов. Если проводнику сообщить некоторый заряд Q, то зарядырасполагаютсятолькопаповерхности проводника. Это следует непосредственно из теоремы Гаусса (89.3), согласно которой заряд Q, находящийся внутри проводника в некотором объеме, ограниченном произвольной замкнутой поверхностью, так как во всех точках внутри поверхности D = 0. Найдем взаимосвязь между напряженностью Е поля вблизи поверхности заряженного проводника и поверхностной плотностью а зарядов на его поверхности. Для этого применим теорему Гаусса к бесконечно малому цилиндру с основаниями AS, пересекаюРис. 143 168 щему границу «проводник рик». Ось цилиндра ориентирована вдоль вектора (рис. 143). Поток вектора электрического смещения через внутреннюю часть цилиндрической поверхности нулю, так как внутри проводника (а следовательно, и равен нулю, поэтому поток вектора D сквозь замкнутую цилиндрическую поверхность определяется только потоком сквозь наружное основание цилиндра. Согласно теореме Гаусса (89.3), этот поток (DAS) равен сумме зарядов охватываемых поверхностью: DAS т.е. (92.1) (92.2) где е — диэлектрическая проницаемость среды, окружающей проводник. Таким образом, напряженность электростатического поля у поверхности проводника определяется поверхностной плотностью зарядов. Можно показать, что соотношение (92.2) задает напряженность электростатического поля вблизи поверхности проводника любой формы. Если во внешнее электростатическое поле внести нейтральный проводник, то свободные заряды (электроны, ионы) будут перемещаться: положительные — по полю, отрицательные — против поля (рис. 144, На одном конце проводника будет скапливаться избыток положительного заряда, на другом — избыток отрицательного. Эти заряды называются индуцированными. Процесс будет происходить до тех пор, пока напряженность поля внутри проводника не станет равной нулю, а линии напряженности вне проводника — перпендикулярными его поверхности (рис. 144, б). Таким образом, нейтральный проводник, внесенный в электростатическое поле, разрывает часть линий напряженности; они заканчиваются на отрицательных индуцированных зарядах и вновь начинаются на положительных. Индуцированные заряды распределяются на внешней поверхности проводника. Явление перераспределения поверхностных зарядов на проводнике во внешнем электростатическом поле называется электростатической индукцией. Из рис. 144, следует, что индуцированные заряды появляются на проводнике вследствие смещения их под действием поля, т. е. ст является поверхностной плотностью смещенных зарядов. По (92.1), электрическое смещение D вблизи проводника численно равно поверхностной плотности смещенных зарядов. Поэтому вектор D получил название вектора электрическогосмещения. Так как в состоянии равновесия внутри проводника заряды отсутствуют, то создание внутри него полости не повлияет на конфигурацию расположения зарядов и тем самым на электростатическое поле. Следовательно, внутри полости поле будет отсутствовать. Если теперь этот проводник с полостью заземлить, то потенциал во всех точках полости будет нулевым, т.е. полость полностью изолирована от влияния внешних электростатических полей. На этом основана электростатическая защита — экранирование тел, например измерительных приборов, от влияния внешних электростатических полей. Вместо сплошного проводника для защиты может быть использована густая металлическая сетка, которая, кстати, является эффективной при наличии не только постоянных, и переменных электрических полей. Рис. 144 Свойство зарядов располагаться на внешней поверхности проводника используется для устройства электростатических генераторов, предназначенных для накопления больших зарядов и достижения разности потенциалов в несколько миллионов вольт. Электростатический генератор, изобретенный американским физиком Р. Вандер-Граафом (1901 — состоит из шарообразного полого проводника 1 (рис. 145), укрепленного на изоляторах 2. Движущаяся замкнутая лента 3 из прорезиненной ткани заряжается от источника напряжения с помощью системы остриев 4, соединенных с одним из полюсов источника, второй полюс которого заземлен. Заземленная пластина 5 усиливает стекание зарядов с остриев на ленту. Другая система остриев б снимает заряды с ленты и передает их полому шару, и они переходят на его Рис. 145 169 внешнюю поверхность. Таким образом, сфере передается постепенно большой заряд и удается достичь разности потенциалов в несколько миллионов вольт. Электростатические генераторы применяются в высоковольтных ускорителях заряженных частиц, а также в слаботочной высоковольтной технике. § 93. Электроемкость уединенного проводника Рассмотрим уединенный проводник, т. е. проводник, который удален от других проводников, тел и зарядов. Его потенциал, согласно (84.5), пропорционален заряду проводника. Из опыта следует, что разные проводники, будучи одинаково заряженными, имеют различные потенциалы. Поэтому для уединенного проводника можно записать Величину (93.1) называют электроемкостью (или просто емкостью) уединенного проводника. Емкость уединенного проводника определяется зарядом, сообщение которого проводнику изменяет его потенциал на единицу. Емкость проводника зависит от его размеров и формы, но не зависит от материала, агрегатного состояния, формы и размеров полостей внутри проводника. Это связано с тем, что избыточные заряды распределяются на внешней поверхности проводника. Емкость также не зависит от заряда проводника и его потенциала. Единица электроемкости — фарад (Ф): 1 Ф — емкость такого уединенно170 го проводника, потенциал которого изменяется на 1 В при сообщении ему заряда 1 Кл. Согласно (84.5), потенциал уединенного шара радиусом R, находящегося в однородной среде с диэлектрической проницаемостью е, равен Используя формулу (93.1), получим, что емкость шара (93.2) Отсюда следует, что емкостью 1 Ф обладал бы уединенный шар, находящийся в вакууме и имеющий радиус — • км, что примерно в 1400 раз больше радиуса Земли (электроемкость Земли 0,7 мФ). Следовательно, фарад — очень большая величина, поэтому на практике используются дольные единицы — миллифарад (мФ), микрофарад (мкФ), нанофарад (нФ), пикофарад (пФ). Из формулы (93.2) вытекает также, что единица электрической постоянной — фарад на метр (Ф/м) [см. (78.3)]. §94. Конденсаторы Чтобы проводник обладал большой электроемкостью, он должен иметь очень большие размеры (см. § 93). На практике, однако, необходимы устройства, обладающие способностью при малых размерах и небольших относительно окружающих тел потенциалах накапливать значительные по величине заряды, иными словами, обладать большой емкостью. Эти устройства получили название конденсаторов. Если к заряженному проводнику приближать другие тела, то на них воз- внешнюю поверхность. Таким образом, сфере передается постепенно большой заряд и удается достичь разности потенциалов в несколько миллионов вольт. Электростатические генераторы применяются в высоковольтных ускорителях заряженных частиц, а также в слаботочной высоковольтной технике. § 93. Электроемкость уединенного проводника Рассмотрим уединенный проводник, т. е. проводник, который удален от других проводников, тел и зарядов. Его потенциал, согласно (84.5), пропорционален заряду проводника. Из опыта следует, что разные проводники, будучи одинаково заряженными, имеют различные потенциалы. Поэтому для уединенного проводника можно записать Величину (93.1) называют электроемкостью (или просто емкостью) уединенного проводника. Емкость уединенного проводника определяется зарядом, сообщение которого проводнику изменяет его потенциал на единицу. Емкость проводника зависит от его размеров и формы, но не зависит от материала, агрегатного состояния, формы и размеров полостей внутри проводника. Это связано с тем, что избыточные заряды распределяются на внешней поверхности проводника. Емкость также не зависит от заряда проводника и его потенциала. Единица электроемкости — фарад (Ф): 1 Ф — емкость такого уединенно170 го проводника, потенциал которого изменяется на 1 В при сообщении ему заряда 1 Кл. Согласно (84.5), потенциал уединенного шара радиусом R, находящегося в однородной среде с диэлектрической проницаемостью е, равен Используя формулу (93.1), получим, что емкость шара (93.2) Отсюда следует, что емкостью 1 Ф обладал бы уединенный шар, находящийся в вакууме и имеющий радиус — • км, что примерно в 1400 раз больше радиуса Земли (электроемкость Земли 0,7 мФ). Следовательно, фарад — очень большая величина, поэтому на практике используются дольные единицы — миллифарад (мФ), микрофарад (мкФ), нанофарад (нФ), пикофарад (пФ). Из формулы (93.2) вытекает также, что единица электрической постоянной — фарад на метр (Ф/м) [см. (78.3)]. §94. Конденсаторы Чтобы проводник обладал большой электроемкостью, он должен иметь очень большие размеры (см. § 93). На практике, однако, необходимы устройства, обладающие способностью при малых размерах и небольших относительно окружающих тел потенциалах накапливать значительные по величине заряды, иными словами, обладать большой емкостью. Эти устройства получили название конденсаторов. Если к заряженному проводнику приближать другие тела, то на них воз- рических обкладок, разделенных сферическим слоем диэлектрика, используем формулу (86.2) для разности потенциалов между двумя точками, лежащими на расстояниях > от центра заряженной сферической поверхности. При наличии диэлектрика между обкладками разность потенциалов (94.6) Подставив (94.6) в (94.1), получим (94.7) ческой обкладки, то получаем формулу (94.3). Таким образом, при малой величине зазора по сравнению с радиусом сферы выражения для емкости сферического и плоского конденсаторов совпадают. Этот вывод справедлив и для цилиндрического конденсатора: при малом зазоре между цилиндрами по сравнению с их радиусами в формуле (94.5) In можно разложить в ряд, ограничиваясь только членом первого порядка. В результате опять приходим к формуле (94.3). Из формул (94.3), (94.5) и (94.7) вытекает, что емкость конденсаторов любой формы пропорциональна диэлектрической проницаемости диэлектрика, заполняющего пространство между обкладками. Поэтому применение в качестве прослойки сегнетоэлектриков значительно увеличивает емкость конденсаторов. Конденсаторы характеризуются пробивным напряжением -— разностью потенциалов между обкладками конденсатора, при которой происходит пробой — электрический разряд через слой диэлектрика в конденсаторе. Пробивное напряжение зависит от формы обкладок, свойств диэлектрика и его толщины. Для увеличения емкости и варьирования ее возможных значений конденсаторы соединяют в батареи, при этом используется их параллельное и последовательное соединения. 1. Параллельное соединение конденсаторов (рис. 146). У параллельно соединенных конденсаторов разность потенциалов на обкладках конденсаторов одинакова и равна — Если емкости отдельных конденсаторов ..., то, согласно (94.1), их заряды равны а заряд батареи конденсаторов Полная емкость батареи т. е. при параллельном соединении конденсаторов она равна сумме емкостей отдельных конденсаторов. 2. Последовательное соединение конденсаторов (рис. 147). У последовательно соединенных конденсаторов заряды всех обкладок равны по модулю, а разность потенциалов на зажимах батареи Рис. 146 где для любого из рассматриваемых конденсаторов 172 С другой стороны, 39. Электрический диполь. Дипольный момент. Диэлектрики Диэле́ктрик — материал, относительно плохо проводящий электрический ток. Электрические свойства диэлектриков определяются их способностью к поляризации во внешнем электрическом поле. Термин введён в науку английским физиком Майклом Фарадеем. Концентрация свободных носителей заряда в диэлектрике не превышает 10⁸ см⁻³. Диэлектрик (как и всякое вещество) состоит из атомов и молекул. Так как положительный заряд всех ядер молекулы равен суммарному заряду электронов, то молекула в целом электрически нейтральна. Таким образом, внесение всех трех групп диэлектриков во внешнее электрическое поле приводит к возникновению отличного от нуля результирующего электрического момента диэлектрика или, иными словами, к поляризации диэлектрика. 40. Постоянный ток. Ток в растворах и расплавах. Электролиз Постоя́нный ток — электрический ток, который с течением времени не изменяется по величине и направлению. Постоянный ток является разновидностью однонаправленного тока. Однонаправленный ток — это электрический ток, не изменяющий своего направления. Растворы солей, кислот и оснований называются электролитами. Химически чистая вода почти не проводит электрического тока, но если растворить в воде какую-нибудь соль, например медный купорос, то ток через нее пойдет. При протекании электрического тока через раствор электролитов вместе с зарядом всегда переносится вещество (это явление называется электролизом). Отсюда следует, что носителями тока в этих проводниках являются ионы. Электрической диссоциацией называется расщепление в воде солей, кислот и щелочей на положительные и отрицательные ионы. Растворы электролитов всегда содержат некоторое число ионов: катионов (положительных ионов) и анионов (отрицательных ионов). Пока электрическое поле отсутствует, ионы совершают только беспорядочное тепловое движение. Но в электрическом поле ионы, подобно электронам в металлах, начинают дрейфовать в направлении действующей на них силы: катионы - к катоду, анионы - к аноду. Электрический ток в растворах (или расплавах) электролитов представляет собой перемещение ионов обоих знаков в противоположных направлениях. Опыт показывает, что сила тока при постоянном сопротивлении электролитов линейно зависит от напряжения, т. е. для растворов электролитов справедлив закон Ома. Электронная теория позволяет рассчитать массу вещества, выделившегося на электродах при электролизе. Она равна массе одного иона m0, умноженной на число ионов N, которые осели на электродах. Масса одного Величины NA и е являются универсальными постоянными, а М и z постоянны для данного вещества. Поэтому выражение - величина, постоянная для данного вещества. Масса вещества, выделившегося на электроде, пропорциональна заряду, прошедшему через раствор (или пропорциональна силе тока и времени). Эта зависимость носит название закона Фарадея. Коэффициент k называется электрохимическим эквивалентом данного вещества. Он выражается в килограммах на кулон (кг/Кл). Закон Фарадея позволяет определить заряд одновалентного иона: Электролиз получил широкое применение в технике: получение щелочных и щелочноземельных металлов (алюминия, магния, бериллия и др.); покрытие трудно окисляемыми металлами деталей для предохранения их от коррозии; гальванопластика - изготовление рельефных металлических копий предметов и др. 41. Взаимодействие движущихся зарядов. Сила Лоренца. Сила Ампера. Магнитное поле движущегося заряда. Закон Био-Савара При движении зарядов между ними обнаруживается силовое взаимодействие, для объяснения которого недостаточно закона Кулона. Взаимодействие движущихся зарядов проявляется в притягивании (отталкивании) двух проводников с током. Сила FmH этого взаимодействия пропорциональна силе тока, длине проводника, обратно пропорциональна расстоянию между проводниками и зависит от свойств среды, в которой находятся проводники: где /1? /2 — токи в проводниках; г — расстояние между проводниками; / — длина проводника; — магнитная проницаемость среды. 42. Магнитный поток. Теорема Гаусса для магнитного поля. Закон электромагнитной индукции. Индуктивность. Токи Фуко https://poznayka.org/s42936t1.html 43. Переменный ток. Законы синусоидального переменного тока Переменный ток, в отличие от тока постоянного, непрерывно изменяется как по величине, так и по направлению, причем изменения эти происходят периодически, т. е. точно повторяются через равные промежутки времени. Чтобы вызвать в цепи такой ток, используются источники переменного тока, создающие переменную ЭДС, периодически изменяющуюся по величине и направлению. Такие источники называются генераторами переменного тока. Электрическим током называется упорядоченное движение заряженных частиц или макроскопических тел. Переменным называется ток, который с течением времени изменяет свою величину или направление. В промышленности наибольшее распространение получил синусоидальный переменный ток, то есть ток, величина которого изменяется со временем по закону синуса или косинуса: Синусоидальный переменный ток имеет целый ряд преимуществ перед постоянным током, что и объясняет его использование в промышленности и в быту: 1. от генератора постоянного тока получить высокие напряжения практически невозможно, 2. генератор и двигатель переменного тока значительно проще по конструкции, надёжнее и дешевле генератора и двигателя постоянного тока, 3. при необходимости переменный ток можно преобразовать в постоянный ток, 4. переменный ток можно трансформировать, то есть повышать или понижать его напряжение с помощью трансформаторов. https://ru.wikipedia.org/wiki/Переменный_ток#Действующее_значение_переменного_синусоидального_тока
