Electrostatica -aceasta este o ramură a fizicii care studiază interacțiunea și proprietățile sistemelor de sarcini electrice care sunt staționare în raport cu un cadru de referință inerțial ales.

Întreaga varietate de fenomene naturale se bazează pe patru interacțiuni fundamentale între particulele elementare

gravitațional,

electromagnetic,

Încărcare electrică - purtător interacțiune electromagnetică.

Proprietățile fundamentale ale sarcinilor

1. Sarcina electrică poate fi de două tipuri: pozitiv(când pielea este frecată de sticlă) și negativ(în timpul frecării blănii cu ebonită). Corpurile cu sarcini electrice de același semn se resping reciproc, corpurile cu sarcini de semne opuse se atrag.

2. Transportatorii incarcare electrica sunt particule elementare încărcate cu sarcina elementara(Coulomb este unitatea SI a sarcinii electrice)

proton este un purtător de sarcină pozitivă (+ e), (m p\u003d 1,6710 -27 kg);

electron – purtător de sarcină negativă (– e), (m e\u003d 9,1110 -31 kg).

Sarcina oricărui alt corp este un multiplu întreg al sarcina electrica elementara.

3. Legea fundamentală a conservării sarcinii electrice(efectuat în orice proces de naștere și distrugere particule elementare): în orice sistem izolat electric, suma algebrică a sarcinilor nu se modifică .

4. Sarcina electrică este relativistcki invariant: valoarea sa nu depinde de cadrul de referință și, prin urmare, nu depinde dacă este în mișcare sau în repaus.

Deci, a încărca un corp în mod pozitiv înseamnă a lua un anumit număr de electroni din el, iar a-l încărca negativ înseamnă a oferi corpului un anumit număr de electroni în plus. Rețineți că sarcinile corpurilor de ordinul 1 nC = 10 -9 C pot fi deja considerate destul de semnificative. Pentru ca un corp să aibă o astfel de sarcină, numărul de electroni din el trebuie să difere de numărul de protoni cu ! lucruri.

Clasificarea organismelor în funcție de concentrarea taxelor gratuite

conductoare(organisme cu libera circulație a taxelor pe tot volumul);

1. conductoareeudrăguț- metale (sarcinile se misca fara transformari chimice);

   conductoareIIdrăguț- electroliți (mișcarea sarcinilor este însoțită de transformări chimice);

Semiconductori(corpuri cu mișcare limitată a sarcinilor);

Dielectrice(organisme în care practic nu există taxe gratuite);

Unitatea de sarcină electrică Coulomb este o derivată a unității de curent, este o sarcină electrică care trece prin secțiunea transversală a conductorului la un curent de 1 A într-un timp de 1 s (1Cl = 1A1s).

legea lui Coulomb. Permitivitatea dielectrică și semnificația sa fizică

Orez. 1. Schema de interacțiune a sarcinilor punctiforme

, (1)

Unde k– coeficient de proporționalitate, în funcție de alegerea unităților de măsură. În sistemul SI

- constantă electrică.

Putere F numit Forța Coulomb, este o forță de atracție dacă sarcinile au semne diferite (Fig. 1), și o forță de respingere dacă sarcinile sunt de același semn.

Dacă sarcinile electrice sunt plasate în interiorul dielectricului, atunci puterea interacțiunii electrice scade în conformitate cu expresia:

, (2)

Unde - permitivitatea dielectrică a mediului, arătând de câte ori forța de interacțiune a sarcinilor punctiforme într-un dielectric este mai mică decât forța de interacțiune a acestora în vid.

Valorile constantei dielectrice pentru unele substanțe

Incarcare electrica- aceasta este cantitate fizica care caracterizează capacitatea particulelor sau a corpurilor de a intra în interacțiuni electromagnetice. Sarcina electrică este de obicei indicată cu litere q sau Q. În sistemul SI, sarcina electrică este măsurată în Coulomb (C). O încărcare gratuită de 1 C este o cantitate gigantică de încărcare, practic nu se găsește în natură. De regulă, va trebui să aveți de-a face cu microcoulombii (1 μC = 10 -6 C), nanocoulombii (1 nC = 10 -9 C) și picocoulombii (1 pC = 10 -12 C). Sarcina electrică are următoarele proprietăți:

1. Sarcina electrică este un fel de materie.

2. Sarcina electrică nu depinde de mișcarea particulei și de viteza acesteia.

3. Taxele pot fi transferate (de exemplu, prin contact direct) de la un corp la altul. Spre deosebire de masa corporală, sarcina electrică nu este o caracteristică inerentă a unui corp dat. Același corp în diferite condiții poate avea o încărcătură diferită.

4. Există două tipuri de sarcini electrice, denumite convențional pozitivși negativ.

5. Toate taxele interacționează între ele. În același timp, sarcinile asemănătoare se resping reciproc, spre deosebire de sarcinile se atrag. Forțele de interacțiune ale sarcinilor sunt centrale, adică se află pe o linie dreaptă care leagă centrele sarcinilor.

6. Există cea mai mică sarcină electrică (modulo) posibilă, numită sarcina elementara. Intelesul sau:

e= 1,602177 10 -19 C ≈ 1,6 10 -19 C

Sarcina electrică a oricărui corp este întotdeauna un multiplu al sarcinii elementare:

Unde: N este un număr întreg. Vă rugăm să rețineți că este imposibil să aveți o taxă egală cu 0,5 e; 1,7e; 22,7e si asa mai departe. Se numesc mărimile fizice care pot lua doar o serie discretă (nu continuă) de valori cuantificat. sarcina elementara e este cuantumul (cea mai mică parte) a sarcinii electrice.

7. Legea conservării sarcinii electrice.Într-un sistem izolat, suma algebrică a sarcinilor tuturor corpurilor rămâne constantă:

Legea conservării sarcinii electrice prevede că sistem închis nu pot fi observate corpuri, procese de naștere sau dispariție a acuzațiilor de un singur semn. De asemenea, din legea conservării sarcinii rezultă dacă două corpuri de aceeași dimensiune și formă au sarcini q 1 și q 2 (nu contează ce semn sunt încărcăturile), aduceți în contact și apoi despărțiți, apoi încărcarea fiecărui corp va deveni egală:

Din punct de vedere modern, purtătorii de sarcină sunt particule elementare. Toate corpurile obișnuite sunt formate din atomi, care includ încărcați pozitiv protoni, încărcat negativ electroniiși particule neutre neutroni. Protonii și neutronii fac parte din nuclee atomice, se formează electronii învelișul de electroni atomi. Sarcinile electrice ale protonului și electronului modulo sunt exact aceleași și egale cu sarcina elementară (adică cea minimă posibilă) e.

Într-un atom neutru, numărul de protoni din nucleu este egal cu numărul de electroni din înveliș. Acest număr se numește număr atomic. Un atom al unei substanțe date poate pierde unul sau mai mulți electroni sau poate dobândi un electron în plus. În aceste cazuri, atomul neutru se transformă într-un ion încărcat pozitiv sau negativ. Vă rugăm să rețineți că protonii pozitivi fac parte din nucleul unui atom, astfel încât numărul lor se poate schimba doar în timpul reacțiilor nucleare. Evident, la electrificarea corpurilor reactii nucleare nu se intampla. Prin urmare, în orice fenomen electric, numărul de protoni nu se modifică, se schimbă doar numărul de electroni. Deci, a da unui corp o sarcină negativă înseamnă a-i transfera electroni suplimentari. Iar mesajul unei sarcini pozitive, contrar unei greșeli obișnuite, nu înseamnă adăugarea de protoni, ci scăderea electronilor. Sarcina poate fi transferată de la un corp la altul numai în porțiuni care conțin un număr întreg de electroni.

Uneori, în probleme, sarcina electrică este distribuită peste un anumit corp. Pentru a descrie această distribuție, sunt introduse următoarele mărimi:

1. Densitatea de sarcină liniară. Folosit pentru a descrie distribuția sarcinii de-a lungul filamentului:

Unde: L- lungimea firului. Măsurată în C/m.

2. Densitatea sarcinii de suprafață. Folosit pentru a descrie distribuția sarcinii pe suprafața unui corp:

Unde: S este suprafața corpului. Măsurat în C/m2.

3. Densitatea de încărcare în vrac. Folosit pentru a descrie distribuția sarcinii pe volumul unui corp:

Unde: V- volumul corpului. Măsurat în C/m 3.

Te rog noteaza asta masa electronilor este egal cu:

me\u003d 9,11 ∙ 10 -31 kg.

legea lui Coulomb

taxă punctuală numit corp încărcat, ale cărui dimensiuni pot fi neglijate în condițiile acestei probleme. Pe baza a numeroase experimente, Coulomb a stabilit următoarea lege:

Forțele de interacțiune ale sarcinilor cu punct fix sunt direct proporționale cu produsul modulelor de sarcină și invers proporționale cu pătratul distanței dintre ele:

Unde: ε – permisivitatea dielectrică a mediului – o mărime fizică adimensională care arată de câte ori forța interacțiunii electrostatice într-un mediu dat va fi mai mică decât în ​​vid (adică de câte ori mediul slăbește interacțiunea). Aici k- coeficient în legea Coulomb, valoarea care determină valoarea numerică a forţei de interacţiune a sarcinilor. În sistemul SI, valoarea sa este considerată egală cu:

k= 9∙10 9 m/F.

Forțele de interacțiune ale sarcinilor punctuale nemișcate se supun celei de-a treia legi a lui Newton și sunt forțele de repulsie unele față de altele la aceleasi semne sarcini şi forţe de atracţie unele faţă de altele cu semne diferite. Interacțiunea sarcinilor electrice fixe se numește electrostatic sau interacțiunea Coulomb. Secțiunea de electrodinamică care studiază interacțiunea Coulomb se numește electrostatică.

Legea lui Coulomb este valabilă pentru corpuri cu încărcare punctiformă, sfere și bile încărcate uniform. În acest caz, pentru distanțe r luați distanța dintre centrele sferelor sau bilelor. În practică, legea lui Coulomb este bine îndeplinită dacă dimensiunile corpurilor încărcate sunt mult mai mici decât distanța dintre ele. Coeficient kîn sistemul SI este uneori scris ca:

Unde: ε 0 \u003d 8,85 10 -12 F / m - constantă electrică.

Experiența arată că forțele interacțiunii Coulomb se supun principiului suprapunerii: dacă un corp încărcat interacționează simultan cu mai multe corpuri încărcate, atunci forța rezultată care acționează asupra acestui corp este egală cu suma vectoriala forţe care acţionează asupra acestui corp din toate celelalte corpuri încărcate.

Amintiți-vă și două definiții importante:

conductoare- substanțe care conțin purtători liberi de sarcină electrică. În interiorul conductorului este posibil mișcare liberă electroni - purtători de sarcină (pe conductori pot circula electricitate). Conductorii includ metale, soluții de electroliți și topituri, gaze ionizate și plasmă.

Dielectrice (izolatori)- substanțe în care nu există purtători de taxe gratuite. Mișcarea liberă a electronilor în interiorul dielectricilor este imposibilă (curentul electric nu poate circula prin ei). Sunt dielectrici care au o anumită permitivitate care nu este egală cu unitatea ε .

Pentru permisivitatea unei substanțe, următoarele sunt adevărate (despre ceea ce un câmp electric este puțin mai mic):

Sarcina electrică și principalele sale proprietăți.

Legea conservării sarcinii electrice.

Incarcare electrica este o mărime fizică scalară care determină intensitatea interacțiuni electromagnetice. Unitatea de încărcare este [q] pendant.

Proprietăți de încărcare electrică:

1. Incarcare electrica nu este o cantitate definită, există atât sarcini pozitive, cât și negative.

2. Incarcare electrica- valoarea este invariabilă. Nu se schimbă atunci când suportul de încărcare se mișcă.

3. Incarcare electrica aditiv.

4. Incarcare electrica multiplu de elementar. q = Ne. Această proprietate a sarcinii se numește discretitate (cuantizare).

5. Total incarcare electrica orice sistem izolat este salvat. Această proprietate este legea conservării sarcinii electrice.

Legea conservării sarcinii electrice - sarcinile electrice nu se creează și nu dispar, ci sunt doar transferate de la un corp la altul sau redistribuite în interiorul corpului.

Electrostatică. taxă punctuală. legea lui Coulomb. Principiul suprapunerii forțelor. Suprafața volumului și densitatea de sarcină liniară.

Electrostatică- o secțiune a doctrinei electricității care studiază interacțiunea sarcinilor electrice nemișcate.

taxă punctuală este un corp încărcat, dimensiune și formă, care poate fi neglijat.

Formularea legii lui Coulomb: Puterea interacțiunii electrostatice dintre două sarcini electrice punctuale este direct proporțională cu produsul mărimilor sarcinilor, invers proporțională cu pătratul distanței dintre ele și este direcționată de-a lungul liniei drepte care le conectează astfel încât sarcinile asemănătoare să se respingă și spre deosebire de acestea. taxele atrag.

Principiul suprapunerii forțelor este că acţiunea mai multor forţe poate fi înlocuită cu acţiunea uneia - rezultanta. Rezultanta este singura forță, al cărei rezultat este echivalent cu acțiunea simultană a tuturor forțelor aplicate acestui corp.

Densitatea de sarcină liniară: sarcină pe unitate de lungime.

Densitatea de sarcină la suprafață: sarcina pe unitatea de suprafață.

Densitatea de sarcină volumetrică: sarcina pe unitate de volum.

tensiune câmp electric. linii de forță câmp electrostatic. Intensitatea câmpului staționarului taxă punctuală. câmp electrostatic. Principiul suprapunerii.

Intensitatea câmpului electric- o mărime fizică vectorială care caracterizează câmpul electric într-un punct dat și numeric egală cu raportul forței care acționează asupra unei sarcini punctuale fixe plasate în punct dat câmp, la valoarea acestei taxe q.

Linii de câmp electrostatic au urmatoarele proprietati:

1. Întotdeauna deschis: începe cu sarcini pozitive(sau la infinit) și se termină cu sarcini negative(sau la infinit).

2 . Nu se intersectează sau nu se ating.

3 . Densitatea liniilor este cu atât mai mare, cu atât este mai mare intensitatea, adică intensitatea câmpului este direct proporțională cu numărul linii de forță trecând printr-o platformă de unitate de suprafață situată perpendicular pe linii.

Potenţialitatea câmpului electrostatic. Circulaţia câmpului vectorului E. Teorema privind circulaţia vectorului E a câmpului electrostatic în int. și dif. formele și conținutul acestora.

Deoarece principiul suprapunerii este valabil pentru intensitatea câmpului electrostatic, atunci orice câmp electrostatic este potențial.

Teorema privind circulația vectorului E al câmpului electrostatic: Circulaţie Eîntr-o buclă închisă, L este întotdeauna zero.

În dif. formă:

Câmpul electrostatic este potențial.

Energie potențială sarcină punctuală într-un câmp electrostatic. Potențialul câmpului electrostatic. suprafete echipotentiale. Potenţialul câmpului unei sarcini punctiforme imobile. Principiul suprapunerii pentru potențial.

Energia potențială a unei sarcini într-un câmp electrostatic uniform este:

Potential - valoarea scalară, este caracteristica energetică a câmpului într-un punct dat și este egală cu raportul dintre energia potențială deținută de sarcina de testare și această sarcină.

Suprafata echipotentiala este suprafața pe care potențialul unui câmp dat capătă aceeași valoare.

Potențial de câmp al unei sarcini imobile punctuale:

Principiul suprapunerii pentru potențiale- Potențialul câmpului creat de GRU cu un număr de sarcini într-un punct arbitrar este egal cu suma potențialelor câmpurilor create de fiecare sarcină.

moment

și dobândește potențial energie

Dipolul are:

transpirație minimă. energie:

în poziție (poziția de echilibru stabil);

transpirație maximă. energie:

în poziție (poziție de echilibru instabil);

În toate celelalte cazuri, apare un moment de forță, transformând dipolul într-o poziție de echilibru stabil.

Într-un câmp electrostatic extern neomogen, un moment de forță acționează asupra unui dipol punctual și acest dipol are o energie potențială

Forța care acționează asupra unui dipol punctual într-o formă neuniformă. e-mail stat. camp:

În e-mailul extern eterogen. stat. Câmpul unui dipol punctual sub acțiunea simultană a momentului forțelor se rotește în direcția câmpului și a forței, se deplasează în direcția în care modulul este mai mare (se întinde spre un câmp mai puternic).

În dirijor.

În conductor sunt libere. sarcini - purtători de curent, capabili să se deplaseze sub influența unei forțe arbitrar de mici. în întreg conductorul.

Inducția electrostatică este fenomenul de redistribuire a sarcinilor pe suprafața unui conductor sub acțiunea unui acumulator. câmp electrostatic.

Redistribuirea sarcinile se opresc., când orice punct al conductorului va fi îndeplinit. condiție:

pentru că , apoi puterea câmpului electrostatic în orice punct din interiorul conductorului:

Pentru că atunci

- potentialul conductorului este acelasi. în tot interiorul ei puncte și la suprafață

Condiții pentru distribuția staționară a sarcinilor într-un conductor:

2.Ed. nu există sarcini în interiorul conductorului, iar sarcinile induse sunt distribuite

pe suprafața sa ()

3. Aproape de partea exterioară a suprafeței. vectorul conductor este îndreptat de-a lungul normalei la aceasta

suprafata in fiecare punct ()

4. Întregul volum al conductorului este yavl. regiune echipotențială, iar suprafața sa este echipotențială

Circuit cu curent într-un câmp magnetic. Momentul forțelor care acționează asupra unui circuit cu curent și energia potențială a unui circuit cu curent într-un câmp magnetic uniform. Opera forțelor camp magnetic la mutarea unui circuit cu curent.

Moment magnetic curent de linie I, mergând de-a lungul unui contur plat închis (care toate punctele se află în același plan):

S este aria suprafeței delimitată de contur; în SI = A*

Forța Ampère rezultată care acționează asupra unui circuit purtător de curent într-un câmp magnetic uniform este 0.

Prin urmare, momentul total al forțelor amperului nu depinde de alegerea punctului O, față de care se calculează:

Momentul forțelor care acționează asupra unui circuit închis cu curent I într-un câmp magnetic de inducție:

Când M=0 (adică, circuitul purtător de curent este în poziție de echilibru).

Când momentul maxim al forţelor acţionează asupra conturului.

Energia potențială a unei bucle închise cu curent într-un câmp magnetic:

Lucrarea forțelor Ampere:

În acest caz, direcția normalei pozitive formează un sistem dreptaci. Această formulă este valabilă în cazul deplasării arbitrare a unui contur de orice formă într-un câmp magnetic.

29. Câmp magnetic în materie. Magnetizarea dia- și paramagneților. Vector de magnetizare . Teorema circulației câmpului vectorial în integrală şi formă diferențială.

Orice substanță este magnetică (adică, capabilă să fie magnetizată sub influența unui câmp magnetic extern)

Curentul de conducere (I, ) este curentul datorat mișcării direcționate a purtătorilor de curent în substanță.

Curenți moleculari () - curenți asociați cu mișcarea orbitală și spin-ul particulelor elementare din atomii materiei. Fiecare curent molecular are un moment magnetic.

Diamagneții sunt substanțe ale căror momente magnetice ale atomilor în absența unui câmp magnetic extern sunt egale cu zero, adică. momentele magnetice ale tuturor particulelor elementare ale unui atom (molecule) sunt compensate.

Paramagneții sunt substanțe ai căror atomi în absența unui câmp magnetic extern au un moment magnetic diferit de zero, dar direcția lor este orientată aleatoriu, prin urmare.

Atunci când un diamagnet este introdus într-un câmp magnetic extern, este indus un moment suplimentar în fiecare dintre atomii săi, îndreptat împotriva câmpului magnetic extern.

Când un paramagnet este introdus într-un câmp magnetic extern, momentul magnetic al atomilor (moleculelor) săi devine orientat în direcția câmpului extern.

Magnetizarea unei substanțe se datorează orientării sau inducției predominante a moleculelor individuale într-o singură direcție. Magnetizarea unei substanțe duce la apariția curenților de magnetizare (curenți moleculari mediați în regiunea macroscopică):

unde este vectorul densității curentului de magnetizare care trece prin suprafața orientată S.

Conform principiului suprapunerii:

unde este inducția câmpului extern;

Inducerea câmpului magnetic a curenților de magnetizare.

Vectorul de magnetizare este caracteristică cantitativă starea magnetizată a unei substanțe, egală cu raportul dintre momentul magnetic total al unui volum fizic mic al unui magnet pentru acest volum:

În SI [J] = A/m.

Teorema de circulație a vectorului câmpului magnetostatic în formă diferențială:

în orice punct al câmpului magnetostatic, rotorul vectorului este egal cu vectorul densității curentului de magnetizare din același punct.