elektrostatika -ovo je grana fizike koja proučava interakciju i svojstva sistema električnih naboja koji su stacionarni u odnosu na odabrani inercijski referentni okvir.

Čitava raznolikost prirodnih fenomena zasnovana je na četiri fundamentalne interakcije između elementarnih čestica

gravitacioni,

elektromagnetni,

Električno punjenje - nosač elektromagnetna interakcija.

Osnovna svojstva naboja

1. Električni naboj može biti dva tipa: pozitivno(kada se koža trlja o staklo) i negativan(prilikom trenja krzna sa ebonitom). Tijela sa električnim nabojem istog znaka se međusobno odbijaju, tijela sa naelektrisanjem suprotnih predznaka se privlače.

2. Nosači električni naboj su nabijene elementarne čestice sa elementarnog naboja(Coulomb je SI jedinica električnog naboja)

proton je nosilac pozitivnog naboja (+ e), (m str\u003d 1,6710 -27 kg);

elektron – nosilac negativnog naboja (– e), (m e\u003d 9,1110 -31 kg).

Naboj bilo kojeg drugog tijela je cjelobrojni višekratnik elementarnog električnog naboja.

3. Osnovni zakon održanja električnog naboja(izvodi se u svim procesima rađanja i uništenja elementarne čestice): u bilo kom električno izolovanom sistemu, algebarski zbir naelektrisanja se ne menja .

4. Električni naboj je relativističkicki invarijantna: njegova vrijednost ne zavisi od referentnog okvira, pa stoga ne zavisi od toga da li se kreće ili miruje.

Dakle, pozitivno naelektriti tijelo znači oduzeti mu određeni broj elektrona, a negativno nabiti znači dati tijelu određeni broj dodatnih elektrona. Imajte na umu da se naboji tijela reda veličine 1 nC = 10 -9 C već mogu smatrati prilično značajnim. Da bi tijelo imalo takav naboj, broj elektrona u njemu mora se razlikovati od broja protona za ! stvari.

Klasifikacija tijela ovisno o koncentraciji slobodnih naboja

provodnici(tela sa slobodnim kretanjem naboja po čitavom volumenu);

1. provodniciIvrsta- metali (naelektrisanja se kreću bez hemijskih transformacija);

   provodniciIIvrsta- elektroliti (kretanje naelektrisanja je praćeno hemijskim transformacijama);

Poluprovodnici(tela sa ograničenim kretanjem naboja);

Dielektrici(tela u kojima praktički nema besplatnih naknada);

Jedinica električnog naboja Coulomb je izvod jedinice struje, to je električni naboj koji prolazi kroz poprečni presjek provodnika pri struji od 1 A u vremenu od 1 s (1Cl = 1A1s).

Coulombov zakon. Dielektrična permitivnost i njeno fizičko značenje

Rice. 1. Šema interakcije tačkastih naboja

, (1)

gdje k– koeficijent proporcionalnosti, u zavisnosti od izbora mernih jedinica. U SI sistemu

- električna konstanta.

Snaga F pozvao Kulonova sila, to je privlačna sila ako su naelektrisanja različitog predznaka (slika 1), a sila odbijanja ako su naelektrisanja istog predznaka.

Ako se električni naboji stave unutar dielektrika, tada se snaga električne interakcije smanjuje u skladu s izrazom:

, (2)

gdje - dielektrična permitivnost medija, koja pokazuje koliko je puta sila interakcije tačkastih naelektrisanja u dielektriku manja od sile njihove interakcije u vakuumu.

Vrijednosti dielektrične konstante za neke tvari

Električno punjenje- ovo je fizička količina karakterizira sposobnost čestica ili tijela da uđu u elektromagnetne interakcije. Električni naboj se obično označava slovima q ili Q. U SI sistemu električni naboj se mjeri u kulonima (C). Besplatno punjenje od 1 C je ogromna količina punjenja, praktički ne postoji u prirodi. Po pravilu ćete morati da imate posla sa mikrokulonima (1 μC = 10 -6 C), nanokulonima (1 nC = 10 -9 C) i pikokulonima (1 pC = 10 -12 C). Električni naboj ima sljedeća svojstva:

1. Električni naboj je vrsta materije.

2. Električni naboj ne zavisi od kretanja čestice i od njene brzine.

3. Naboji se mogu prenositi (na primjer, direktnim kontaktom) s jednog tijela na drugo. Za razliku od tjelesne mase, električni naboj nije inherentna karakteristika datog tijela. Isto tijelo u različitim uvjetima može imati različit naboj.

4. Postoje dvije vrste električnih naboja, konvencionalno nazvane pozitivno i negativan.

5. Svi naboji međusobno djeluju. U isto vrijeme, slični naboji se međusobno odbijaju, za razliku od naboja privlače. Sile interakcije naelektrisanja su centralne, odnosno leže na pravoj liniji koja spaja centre naelektrisanja.

6. Postoji najmanji mogući (modulo) električni naboj, tzv elementarnog naboja. Njegovo značenje:

e= 1,602177 10 -19 C ≈ 1,6 10 -19 C

Električni naboj bilo kojeg tijela uvijek je višestruki od elementarnog naboja:

gdje: N je cijeli broj. Imajte na umu da je nemoguće imati naplatu jednaku 0,5 e; 1,7e; 22,7e i tako dalje. Fizičke veličine koje mogu uzeti samo diskretni (ne kontinuirani) niz vrijednosti nazivaju se kvantizirano. elementarnog naboja e je kvant (najmanji dio) električnog naboja.

7. Zakon održanja električnog naboja. U izolovanom sistemu, algebarski zbir naelektrisanja svih tela ostaje konstantan:

Zakon održanja električnog naboja to kaže zatvoreni sistem tijela, procesi rađanja ili nestajanja naboja samo jednog znaka ne mogu se posmatrati. To također proizlazi iz zakona održanja naboja ako dva tijela iste veličine i oblika imaju naboj q 1 i q 2 (nije važno kog su znaka naelektrisanja), dovesti u kontakt, a zatim ponovo razdvojiti, tada će naelektrisanje svakog od tela postati jednako:

Sa moderne tačke gledišta, nosioci naboja su elementarne čestice. Sva obična tijela su sastavljena od atoma, koji uključuju pozitivno nabijene protona, negativno naelektrisan elektrona i neutralne čestice neutroni. Protoni i neutroni su dio atomska jezgra, formiraju se elektroni elektronska školjka atomi. Električni naboji protona i elektrona po modulu su potpuno isti i jednaki elementarnom (to jest, minimalnom mogućem) naboju e.

U neutralnom atomu, broj protona u jezgru jednak je broju elektrona u ljusci. Ovaj broj se naziva atomski broj. Atom date supstance može izgubiti jedan ili više elektrona ili dobiti dodatni elektron. U tim slučajevima, neutralni atom se pretvara u pozitivno ili negativno nabijeni ion. Imajte na umu da su pozitivni protoni dio jezgre atoma, tako da se njihov broj može mijenjati samo tokom nuklearnih reakcija. Očigledno, kod naelektrisanja tela nuklearne reakcije ne dešava se. Stoga se u bilo kojoj električnoj pojavi broj protona ne mijenja, mijenja se samo broj elektrona. Dakle, davanje tijelu negativnog naboja znači prijenos dodatnih elektrona na njega. A poruka pozitivnog naboja, suprotno uobičajenoj grešci, ne znači dodavanje protona, već oduzimanje elektrona. Naboj se može prenijeti s jednog tijela na drugo samo u dijelovima koji sadrže cijeli broj elektrona.

Ponekad se u problemima električni naboj raspoređuje po nekom tijelu. Da bismo opisali ovu distribuciju, uvode se sljedeće veličine:

1. Linearna gustina naboja. Koristi se za opisivanje raspodjele naboja duž filamenta:

gdje: L- dužina navoja. Mjereno u C/m.

2. Gustoća površinskog naboja. Koristi se za opisivanje raspodjele naboja po površini tijela:

gdje: S je površina tijela. Izmjereno u C/m 2.

3. Nasipna gustina punjenja. Koristi se za opisivanje raspodjele naboja po zapremini tijela:

gdje: V- zapremina tela. Izmjereno u C/m 3.

Imajte na umu da masa elektrona je jednako:

me\u003d 9,11 ∙ 10 -31 kg.

Coulomb's Law

tačka naboj naziva se naelektrisano telo, čije se dimenzije mogu zanemariti u uslovima ovog problema. Na osnovu brojnih eksperimenata, Coulomb je ustanovio sljedeći zakon:

Sile interakcije naelektrisanja u fiksnoj tački direktno su proporcionalne proizvodu modula naelektrisanja i obrnuto proporcionalne kvadratu udaljenosti između njih:

gdje: ε – dielektrična permitivnost medija – bezdimenzionalna fizička veličina koja pokazuje koliko će puta sila elektrostatičke interakcije u datom mediju biti manja nego u vakuumu (tj. koliko puta medij slabi interakciju). Evo k- koeficijent u Coulombovom zakonu, vrijednost koja određuje brojčanu vrijednost sile interakcije naelektrisanja. U SI sistemu njegova vrijednost se uzima jednakom:

k= 9∙10 9 m/F.

Sile interakcije tačkastih nepomičnih naboja pokoravaju se Newtonovom trećem zakonu, a sile su odbijanja jedne od drugih pri isti znakovi naboja i sile privlačenja jedni prema drugima s različitim znakovima. Interakcija fiksnih električnih naboja naziva se elektrostatički ili Coulomb interakcija. Odjeljak elektrodinamike koji proučava Kulonovu interakciju naziva se elektrostatika.

Kulonov zakon važi za tačkasto naelektrisana tela, jednoliko naelektrisane kugle i kuglice. U ovom slučaju, za udaljenosti r uzeti udaljenost između centara sfera ili kuglica. U praksi, Coulombov zakon je dobro ispunjen ako su dimenzije naelektrisanih tijela mnogo manje od udaljenosti između njih. Koeficijent k u SI sistemu se ponekad piše kao:

gdje: ε 0 \u003d 8,85 10 -12 F / m - električna konstanta.

Iskustvo pokazuje da se sile Kulonove interakcije pokoravaju principu superpozicije: ako nabijeno tijelo djeluje istovremeno s nekoliko nabijenih tijela, tada je rezultujuća sila koja djeluje na ovo tijelo jednaka vektorska suma sile koje na ovo tijelo djeluju od svih ostalih nabijenih tijela.

Zapamtite i dvije važne definicije:

provodnici- supstance koje sadrže slobodne nosioce električnog naboja. Unutar provodnika je moguće slobodno kretanje elektroni - nosioci naboja (na provodnicima mogu teći struja). Provodniki uključuju metale, otopine i taline elektrolita, ionizirane plinove i plazmu.

Dielektrici (izolatori)- supstance u kojima nema slobodnih nosilaca naboja. Slobodno kretanje elektrona unutar dielektrika je nemoguće (električna struja ne može teći kroz njih). Dielektrici imaju određenu permitivnost koja nije jednaka jedinici ε .

Za permitivnost tvari vrijedi sljedeće (o tome šta je električno polje malo niže):

Električni naboj i njegova glavna svojstva.

Zakon održanja električnog naboja.

Električno punjenje je skalarna fizička veličina koja određuje intenzitet elektromagnetne interakcije. Jedinica punjenja je [q] privjesak.

Svojstva električnog naboja:

1. Električno punjenje nije određena količina, postoje i pozitivni i negativni naboji.

2. Električno punjenje- vrijednost je nepromjenjiva. Ne menja se kada se nosilac naboja pomera.

3. Električno punjenje aditiva.

4. Električno punjenje višestruko od elementarnog. q = Ne. Ovo svojstvo naboja naziva se diskretnost (kvantizacija).

5. Ukupno električni naboj bilo koji izolovani sistem je sačuvan. Ova nekretnina je zakon održanja električnog naboja.

Zakon održanja električnog naboja - električni naboji se ne stvaraju i ne nestaju, već se samo prenose s jednog tijela na drugo ili redistribuiraju unutar tijela.

Elektrostatika. tačka naboj. Coulombov zakon. Princip superpozicije sila. Zapreminska površina i linearna gustina naboja.

Elektrostatika- dio doktrine elektriciteta koji proučava interakciju nepomičnih električnih naboja.

tačka naboj je nabijeno tijelo, veličine i oblika, koje se može zanemariti.

Formulacija Coulombovog zakona: Jačina elektrostatičke interakcije između dva točkasta električna naboja je direktno proporcionalna proizvodu veličina naboja, obrnuto proporcionalna kvadratu udaljenosti između njih i usmjerena je duž prave linije koja ih povezuje tako da se slični naboji odbijaju, a različiti od njih. naboji privlače.

Princip superpozicije sila je da se djelovanje više sila može zamijeniti djelovanjem jedne - rezultante. Rezultanta je jedina sila čiji je rezultat jednak istovremenom djelovanju svih sila koje se primjenjuju na ovo tijelo.

Linearna gustina punjenja: punjenje po jedinici dužine.

Gustoća površinskog naboja: naboj po jedinici površine.

Volumetrijska gustina naboja: naboj po jedinici zapremine.

tenzija električno polje. linije sile elektrostatičko polje. Jačina polja stacionarnog tačka naboj. elektrostatičko polje. Princip superpozicije.

Jačina električnog polja- vektorska fizička veličina koja karakteriše električno polje u datoj tački i numerički jednaka omjeru sile koja djeluje na naboj u fiksnoj tački smješten u dati poen polju, na vrijednost ovog naboja q.

Linije elektrostatičkog polja imaju sljedeća svojstva:

1. Uvijek otvoren: počnite s pozitivnih naboja(ili u beskonačnosti) i završavaju sa negativnih naboja(ili u beskonačnosti).

2 . One se ne seku i ne dodiruju jedna drugu.

3 . Gustoća linija je veća što je intenzitet veći, odnosno jačina polja je direktno proporcionalna broju linije sile prolazeći kroz platformu jedinične površine koja se nalazi okomito na linije.

Potencijal elektrostatičkog polja. Kruženje polja vektora E. Teorema o kruženju vektora E elektrostatičkog polja u međ. i diff. forme i njihov sadržaj.

Pošto za jačinu elektrostatičkog polja važi princip superpozicije, onda svako elektrostatičko polje je potencijalno.

Teorema o kruženju vektora E elektrostatičkog polja: Cirkulacija E u zatvorenoj petlji, L je uvijek nula.

U diff. oblik:

Elektrostatičko polje je potencijalno.

Potencijalna energija tačkasto naelektrisanje u elektrostatičkom polju. Potencijal elektrostatičkog polja. ekvipotencijalne površine. Potencijal polja tačkastog nepokretnog naboja. Princip superpozicije za potencijal.

Potencijalna energija naboja u jednoličnom elektrostatičkom polju je:

Potencijal - skalarna vrijednost je energetska karakteristika polja u datoj tački i jednaka je omjeru potencijalne energije koju posjeduje probni naboj i ovog naboja.

Ekvipotencijalna površina je površina na kojoj potencijal datog polja poprima istu vrijednost.

Potencijal polja tačkastog nepokretnog naboja:

Princip superpozicije potencijala- Potencijal polja koje stvara GRU sa brojem naelektrisanja u proizvoljnoj tački jednak je zbiru potencijala polja koje stvara svako naelektrisanje.

momenat

i stiče potencijal energije

Dipol ima:

minimalno znojenje. energija:

u poziciji (položaj stabilne ravnoteže);

maksimalno znojenje. energija:

u položaju (položaj nestabilne ravnoteže);

U svim ostalim slučajevima nastaje moment sila, koji dipol pretvara u položaj stabilne ravnoteže.

U vanjskom nehomogenom elektrostatičkom polju, moment sila djeluje na tačkasti dipol i ovaj dipol ima potencijalnu energiju

Sila koja djeluje na tački dipol u neuniformi. email stat. polje:

U eksternoj heterogenoj e-pošti. stat. Polje tačkastog dipola pod istovremenim djelovanjem momenta sila rotira u smjeru polja i sile, kreće se u smjeru gdje je modul veći (pruža se prema jačem polju).

U dirigentu.

U provodniku su slobodni. naelektrisanja - nosioci struje, sposobni da se kreću pod uticajem proizvoljno male sile. kroz kondukter.

Elektrostatička indukcija je fenomen preraspodjele naelektrisanja na površini vodiča pod djelovanjem stora. elektrostatičko polje.

Redistribucija punjenja prestaju., kada će se ispuniti bilo koja tačka provodnika. stanje:

Jer , zatim jačina elektrostatičkog polja u bilo kojoj tački unutar provodnika:

Jer onda

- potencijal provodnika je isti. u svom unutrašnjem tačkama i na površini

Uslovi za stacionarnu raspodelu naelektrisanja u provodniku:

2.Ed. unutar provodnika nema naelektrisanja, a indukovana naelektrisanja su raspoređena

na njegovoj površini ()

3. Blizu vanjske strane površine. vektor provodnika je usmjeren duž normale na ovo

površina u svakoj tački ()

4. Cijeli volumen provodnika je yavl. ekvipotencijalno područje, a njegova površina je ekvipotencijalna

Krug sa strujom u magnetskom polju. Moment sila koje djeluju na strujni krug i potencijalna energija kola sa strujom u jednoličnom magnetskom polju. Rad snaga magnetsko polje kada se pomiče strujni krug.

Magnetski trenutak linijska struja I, idući duž zatvorene ravne konture (čije sve tačke leže u istoj ravni):

S je površina ograničena konturom; u SI = A*

Rezultirajuća Amperova sila koja djeluje na strujni krug u jednoličnom magnetskom polju je 0.

Dakle, ukupni moment amperskih sila ne zavisi od izbora tačke O, u odnosu na koju se računa:

Moment sila koje djeluju na zatvoreno kolo sa strujom I u magnetskom polju indukcije:

Kada je M=0 (tj. strujni krug je u ravnotežnom položaju).

Kada maksimalni moment sila djeluje na konturu.

Potencijalna energija zatvorene petlje sa strujom u magnetskom polju:

Rad Amperovih sila:

U ovom slučaju, smjer pozitivne normale formira desnoruki sistem. Ova formula vrijedi u slučaju proizvoljnog pomaka konture bilo kojeg oblika u magnetskom polju.

29. Magnetno polje u materiji. Magnetizacija dija- i paramagneta. Vektor magnetizacije . Teorema cirkulacije vektorskog polja u integralu i diferencijalni oblik.

Svaka supstanca je magnetna (tj. sposobna je da se magnetizira pod utjecajem vanjskog magnetskog polja)

Struja provodljivosti (I, ) je struja zbog usmjerenog kretanja nosilaca struje u tvari.

Molekularne struje () - struje povezane s orbitalnim kretanjem i spinom elementarnih čestica u atomima materije. Svaka molekularna struja ima magnetni moment.

Dijamagneti su tvari čiji su magnetni momenti atoma u odsustvu vanjskog magnetskog polja jednaki nuli, tj. kompenziraju se magnetni momenti svih elementarnih čestica atoma (molekula).

Paramagneti su tvari čiji atomi u odsustvu vanjskog magnetskog polja imaju magnetni moment različit od nule, ali je njihov smjer nasumično orijentiran, stoga.

Kada se dijamagnet unese u vanjsko magnetsko polje, u svakom od njegovih atoma indukuje se dodatni moment, usmjeren protiv vanjskog magnetskog polja.

Kada se paramagnet unese u vanjsko magnetsko polje, magnetski moment njegovih atoma (molekula) postaje orijentiran u smjeru vanjskog polja.

Magnetizacija tvari je posljedica dominantne orijentacije ili indukcije pojedinačnih molekula u jednom smjeru. Magnetizacija tvari dovodi do pojave struja magnetizacije (molekularne struje u prosjeku u makroskopskom području):

gdje je vektor gustine struje magnetiziranja koja prolazi kroz orijentiranu površinu S.

Po principu superpozicije:

gdje je indukcija vanjskog polja;

Indukcija magnetnog polja struja magnetiziranja.

Vektor magnetizacije je kvantitativna karakteristika magnetizirano stanje tvari, jednako omjeru ukupnog magnetskog momenta fizički male zapremine magneta za ovu zapreminu:

U SI [J] = A/m.

Teorema cirkulacije vektora magnetostatskog polja u diferencijalnom obliku:

u bilo kojoj tački magnetostatskog polja, rotor vektora je jednak vektoru gustine struje magnetizacije u istoj tački.