Elektrostatika -kjo është një degë e fizikës që studion ndërveprimin dhe vetitë e sistemeve të ngarkesave elektrike që janë të palëvizshme në lidhje me një kornizë inerciale të zgjedhur të referencës.

E gjithë shumëllojshmëria e fenomeneve natyrore bazohet në katër ndërveprime themelore midis grimcave elementare

gravitacionale,

elektromagnetike,

Ngarkesa elektrike - bartës ndërveprimi elektromagnetik.

Karakteristikat themelore të tarifave

1. Ngarkesa elektrike mund të jetë dy llojesh: pozitive(kur lëkura fërkohet me qelqin) dhe negativ(gjatë fërkimit të gëzofit me ebonit). Trupat me ngarkesa elektrike të së njëjtës shenjë sprapsin njëri-tjetrin, trupat me ngarkesa të shenjave të kundërta tërheqin.

2. Transportuesit ngarkesë elektrike janë të ngarkuara grimcat elementare me ngarkesë elementare(Kulombi është njësia SI e ngarkesës elektrike)

proton është një bartës i ngarkesës pozitive (+ e), (m fq\u003d 1,6710 -27 kg);

elektron - bartës i ngarkesës negative (- e), (m e\u003d 9,1110 -31 kg).

Ngarkesa e çdo trupi tjetër është një shumëfish i plotë i ngarkesë elektrike elementare.

3. Ligji themelor i ruajtjes së ngarkesës elektrike(kryhet në çdo proces të lindjes dhe shkatërrimit grimcat elementare): në çdo sistem të izoluar elektrikisht, shuma algjebrike e ngarkesave nuk ndryshon .

4. Ngarkesa elektrike është relativistcki invariant: vlera e tij nuk varet nga korniza e referencës, dhe për këtë arsye nuk varet nëse është në lëvizje apo në qetësi.

Pra, të ngarkosh një trup pozitivisht do të thotë të heqësh një numër të caktuar elektronesh prej tij, dhe ta ngarkosh atë negativisht do të thotë t'i japësh trupit një numër të caktuar elektronesh shtesë. Vini re se ngarkesat e trupave të rendit 1 nC = 10 -9 C tashmë mund të konsiderohen mjaft të rëndësishme. Në mënyrë që një trup të ketë një ngarkesë të tillë, numri i elektroneve në të duhet të ndryshojë nga numri i protoneve me ! gjërat.

Klasifikimi i trupave në varësi të përqendrimit të tarifave të lira

përçuesit(trupa me lëvizje të lirë të ngarkesave në të gjithë vëllimin);

1. përçuesitIlloj- metalet (ngarkesat lëvizin pa transformime kimike);

   përçuesitIIlloj- elektrolitet (lëvizja e ngarkesave shoqërohet me transformime kimike);

Gjysem percjellesit(organet me lëvizje të kufizuar ngarkesash);

Dielektrikë(organet në të cilat praktikisht nuk ka tarifa falas);

Njësia e ngarkesës elektrike Kulomb është një derivat i njësisë së rrymës, është një ngarkesë elektrike që kalon nëpër seksionin kryq të përcjellësit me një rrymë prej 1 A në një kohë prej 1 s (1Cl = 1A1s).

Ligji i Kulombit. Permitiviteti dielektrik dhe kuptimi i tij fizik

Oriz. 1. Skema e ndërveprimit të ngarkesave pika

, (1)

ku k– koeficienti i proporcionalitetit, në varësi të zgjedhjes së njësive matëse. Në sistemin SI

- konstante elektrike.

Forcë F thirrur Forca e Kulonit, është një forcë tërheqëse nëse ngarkesat kanë shenja të ndryshme (Fig. 1), dhe një forcë refuzuese nëse ngarkesat janë të së njëjtës shenjë.

Nëse ngarkesat elektrike vendosen brenda dielektrikut, atëherë forca e bashkëveprimit elektrik zvogëlohet në përputhje me shprehjen:

, (2)

ku - lejueshmëria dielektrike e mediumit, që tregon se sa herë forca e bashkëveprimit të ngarkesave pika në një dielektrik është më e vogël se forca e bashkëveprimit të tyre në vakum.

Vlerat konstante dielektrike për disa substanca

Ngarkesa elektrike- kjo është sasi fizike që karakterizon aftësinë e grimcave ose trupave për të hyrë në ndërveprime elektromagnetike. Ngarkesa elektrike zakonisht shënohet me shkronja q ose P. Në sistemin SI, ngarkesa elektrike matet në Kulomb (C). Një tarifë falas prej 1 C është një sasi gjigande tarife, praktikisht që nuk gjendet në natyrë. Si rregull, do t'ju duhet të merreni me mikrokulonë (1 μC = 10 -6 C), nanokulombe (1 nC = 10 -9 C) dhe pikokulombe (1 pC = 10 -12 C). Ngarkesa elektrike ka këto karakteristika:

1. Ngarkesa elektrike është një lloj materie.

2. Ngarkesa elektrike nuk varet nga lëvizja e grimcave dhe nga shpejtësia e saj.

3. Ngarkesat mund të transferohen (për shembull, me kontakt të drejtpërdrejtë) nga një trup në tjetrin. Ndryshe nga masa e trupit, ngarkesa elektrike nuk është një karakteristikë e natyrshme e një trupi të caktuar. I njëjti trup në kushte të ndryshme mund të ketë një ngarkesë të ndryshme.

4. Ekzistojnë dy lloje të ngarkesave elektrike, të emërtuara në mënyrë konvencionale pozitive dhe negativ.

5. Të gjitha tarifat ndërveprojnë me njëra-tjetrën. Në të njëjtën kohë, si ngarkesat sprapsin njëra-tjetrën, ndryshe nga ngarkesat tërheqin. Forcat e ndërveprimit të ngarkesave janë qendrore, domethënë ato shtrihen në një vijë të drejtë që lidh qendrat e ngarkesave.

6. Ekziston ngarkesa elektrike më e vogël e mundshme (modulo), e quajtur ngarkesë elementare. Kuptimi i saj:

e= 1,602177 10 -19 C ≈ 1,6 10 -19 C

Ngarkesa elektrike e çdo trupi është gjithmonë një shumëfish i ngarkesës elementare:

ku: Nështë një numër i plotë. Ju lutemi vini re se është e pamundur të keni një tarifë të barabartë me 0.5 e; 1,7e; 22,7e e kështu me radhë. Quhen sasitë fizike që mund të marrin vetëm një seri vlerash diskrete (jo të vazhdueshme). të kuantizuara. ngarkesë elementare e është kuanti (pjesa më e vogël) e ngarkesës elektrike.

7. Ligji i ruajtjes së ngarkesës elektrike. Në një sistem të izoluar, shuma algjebrike e ngarkesave të të gjithë trupave mbetet konstante:

Ligji i ruajtjes së ngarkesës elektrike thotë se sistem i mbyllur trupat, proceset e lindjes apo zhdukjes së akuzave të vetëm një shenje nuk mund të vërehen. Nga ligji i ruajtjes së ngarkesës rrjedh gjithashtu nëse dy trupa të së njëjtës madhësi dhe formë që kanë ngarkesa q 1 dhe q 2 (nuk ka rëndësi se çfarë shenje janë ngarkesat), vini në kontakt dhe më pas ndaheni, atëherë ngarkesa e secilit prej trupave do të bëhet e barabartë:

Nga pikëpamja moderne, bartësit e ngarkesës janë grimca elementare. Të gjithë trupat e zakonshëm përbëhen nga atome, të cilat përfshijnë ngarkuar pozitivisht protonet, i ngarkuar negativisht elektronet dhe grimcat neutrale neutronet. Protonet dhe neutronet janë pjesë e bërthamat atomike, formohen elektronet shtresë elektronike atomet. Ngarkesat elektrike të modulit të protonit dhe elektronit janë saktësisht të njëjta dhe të barabarta me ngarkesën elementare (domethënë minimumin e mundshëm). e.

Në një atom neutral, numri i protoneve në bërthamë është i barabartë me numrin e elektroneve në guaskë. Ky numër quhet numër atomik. Një atom i një substance të caktuar mund të humbasë një ose më shumë elektrone, ose të marrë një elektron shtesë. Në këto raste, atomi neutral shndërrohet në një jon të ngarkuar pozitivisht ose negativisht. Ju lutemi vini re se protonet pozitive janë pjesë e bërthamës së një atomi, kështu që numri i tyre mund të ndryshojë vetëm gjatë reaksioneve bërthamore. Natyrisht, kur elektrizohen trupat reaksionet bërthamore nuk ndodh. Prandaj, në çdo dukuri elektrike, numri i protoneve nuk ndryshon, ndryshon vetëm numri i elektroneve. Pra, t'i japësh një trupi një ngarkesë negative do të thotë të transferosh elektrone shtesë tek ai. Dhe mesazhi i një ngarkese pozitive, në kundërshtim me një gabim të zakonshëm, nuk nënkupton shtimin e protoneve, por zbritjen e elektroneve. Ngarkesa mund të transferohet nga një trup në tjetrin vetëm në pjesë që përmbajnë një numër të plotë elektronesh.

Ndonjëherë në probleme ngarkesa elektrike shpërndahet në ndonjë trup. Për të përshkruar këtë shpërndarje, janë paraqitur sasitë e mëposhtme:

1. Dendësia lineare e ngarkesës. Përdoret për të përshkruar shpërndarjen e ngarkesës përgjatë filamentit:

ku: L- gjatësia e fillit. Matur në C/m.

2. Dendësia e ngarkesës sipërfaqësore. Përdoret për të përshkruar shpërndarjen e ngarkesës mbi sipërfaqen e një trupi:

ku: Sështë sipërfaqja e trupit. E matur në C / m 2.

3. Dendësia e ngarkesës me shumicë. Përdoret për të përshkruar shpërndarjen e ngarkesës mbi vëllimin e një trupi:

ku: V- vëllimi i trupit. E matur në C / m 3.

Ju lutemi vini re se masë elektronikeështë e barabartë me:

me\u003d 9,11 ∙ 10 -31 kg.

Ligji i Kulombit

tarifë pikë quhet trup i ngarkuar, dimensionet e të cilit mund të neglizhohen në kushtet e këtij problemi. Bazuar në eksperimente të shumta, Coulomb vendosi ligjin e mëposhtëm:

Forcat e bashkëveprimit të ngarkesave me pikë fikse janë drejtpërdrejt proporcionale me produktin e moduleve të ngarkesës dhe në përpjesëtim të kundërt me katrorin e distancës ndërmjet tyre:

ku: ε – lejueshmëria dielektrike e mediumit – një sasi fizike pa dimension që tregon se sa herë forca e bashkëveprimit elektrostatik në një mjedis të caktuar do të jetë më e vogël se sa në vakum (d.m.th., sa herë mjedisi e dobëson ndërveprimin). Këtu k- koeficienti në ligjin e Kulonit, vlera që përcakton vlerën numerike të forcës së bashkëveprimit të ngarkesave. Në sistemin SI, vlera e tij merret e barabartë me:

k= 9∙10 9 m/F.

Forcat e bashkëveprimit të ngarkesave të palëvizshme të pikës i binden ligjit të tretë të Njutonit dhe janë forcat e zmbrapsjes nga njëra-tjetra në të njëjtat shenja ngarkesat dhe forcat e tërheqjes ndaj njëri-tjetrit me shenja të ndryshme. Bashkëveprimi i ngarkesave elektrike fikse quhet elektrostatike ose ndërveprimin e Kulombit. Pjesa e elektrodinamikës që studion ndërveprimin e Kulombit quhet elektrostatike.

Ligji i Kulombit është i vlefshëm për trupat e ngarkuar me pikë, sferat dhe topat e ngarkuar në mënyrë uniforme. Në këtë rast, për distancat r merrni distancën midis qendrave të sferave ose topave. Në praktikë, ligji i Kulombit përmbushet mirë nëse dimensionet e trupave të ngarkuar janë shumë më të vogla se distanca ndërmjet tyre. Koeficient k në sistemin SI ndonjëherë shkruhet si:

ku: ε 0 \u003d 8,85 10 -12 F / m - konstante elektrike.

Përvoja tregon se forcat e bashkëveprimit të Kulombit i binden parimit të mbivendosjes: nëse një trup i ngarkuar ndërvepron njëkohësisht me disa trupa të ngarkuar, atëherë forca që rezulton që vepron në këtë trup është e barabartë me shuma vektoriale forcat që veprojnë në këtë trup nga të gjithë trupat e tjerë të ngarkuar.

Mos harroni gjithashtu dy përkufizime të rëndësishme:

përçuesit- substanca që përmbajnë bartës të lirë të ngarkesës elektrike. Brenda dirigjentit është e mundur lëvizjen e lirë elektronet - transportuesit e ngarkesës (në përçues mund të rrjedhin elektricitet). Përçuesit përfshijnë metalet, tretësirat dhe shkrirjet e elektroliteve, gazrat e jonizuar dhe plazma.

Dielektrikë (izolues)- substanca në të cilat nuk ka bartës të tarifave falas. Lëvizja e lirë e elektroneve brenda dielektrikëve është e pamundur (rryma elektrike nuk mund të rrjedhë nëpër to). Janë dielektrikët që kanë një lejueshmëri të caktuar jo të barabartë me unitetin ε .

Për lejueshmërinë e një substance, sa vijon është e vërtetë (për atë që një fushë elektrike është pak më e ulët):

Ngarkesa elektrike dhe vetitë e saj kryesore.

Ligji i ruajtjes së ngarkesës elektrike.

Ngarkesa elektrikeështë një madhësi fizike skalare që përcakton intensitetin ndërveprimet elektromagnetike. Njësia e tarifës është [q] varëse.

Karakteristikat e ngarkesës elektrike:

1. Ngarkesa elektrike nuk është një sasi e caktuar, ka ngarkesa pozitive dhe negative.

2. Ngarkesa elektrike- vlera është e pandryshueshme. Nuk ndryshon kur transportuesi i ngarkesës lëviz.

3. Ngarkesa elektrike aditiv.

4. Ngarkesa elektrike shumëfish e elementare. q = Ne. Kjo veti e ngarkesës quhet diskrete (kuantizimi).

5. Gjithsej ngarkesë elektrike ndonjë sistem i izoluarështë i shpëtuar. Kjo pronë është ligji i ruajtjes së ngarkesës elektrike.

Ligji i ruajtjes së ngarkesës elektrike - Ngarkesat elektrike nuk krijohen dhe nuk zhduken, por vetëm kalohen nga një trup në tjetrin ose rishpërndahen brenda trupit.

Elektrostatika. tarifë pikë. Ligji i Kulombit. Parimi i mbivendosjes së forcave. Sipërfaqja e vëllimit dhe dendësia lineare e ngarkesës.

Elektrostatika- një pjesë e doktrinës së energjisë elektrike që studion ndërveprimin e ngarkesave elektrike të palëvizshme.

tarifë pikëështë një trup i ngarkuar, madhësia dhe forma, e cila mund të neglizhohet.

Formulimi i ligjit të Kulombit: Fuqia e ndërveprimit elektrostatik ndërmjet ngarkesave elektrike me dy pika është drejtpërdrejt proporcionale me produktin e madhësive të ngarkesave, në përpjesëtim të zhdrejtë me katrorin e distancës ndërmjet tyre dhe është e drejtuar përgjatë vijës së drejtë që i lidh ato në mënyrë që ngarkesat e ngjashme të zmbrapsen dhe ndryshe nga tarifat tërhiqen.

Parimi i mbivendosjes së forcaveështë se veprimi i disa forcave mund të zëvendësohet me veprimin e njërës - rezultantes. Rezultantja është e vetmja forcë, rezultati i së cilës është i barabartë me veprimin e njëkohshëm të të gjitha forcave të aplikuara në këtë trup.

Dendësia lineare e ngarkesës: ngarkesa për njësi gjatësi.

Dendësia e ngarkesës sipërfaqësore: ngarkesa për njësi sipërfaqe.

Dendësia e ngarkesës vëllimore: ngarkesa për njësi vëllimi.

tensioni fushe elektrike. linjat e forcës fushë elektrostatike. Forca e fushës së stacionares tarifë pikë. fushë elektrostatike. Parimi i mbivendosjes.

Forca e fushës elektrike- një sasi fizike vektoriale që karakterizon fushën elektrike në një pikë të caktuar dhe numerikisht e barabartë me raportin e forcës që vepron në një ngarkesë me pikë fikse të vendosur në pikë e dhënë fushë, në vlerën e kësaj ngarkese q.

Linjat e fushës elektrostatike kanë vetitë e mëposhtme:

1. Gjithmonë i hapur: filloni me ngarkesa pozitive(ose në pafundësi) dhe mbarojnë me ngarkesa negative(ose në pafundësi).

2 . Ata nuk kryqëzohen dhe nuk prekin njëri-tjetrin.

3 . Dendësia e vijave është sa më e madhe, aq më i madh është intensiteti, domethënë forca e fushës është drejtpërdrejt proporcionale me numrin linjat e forcës duke kaluar nëpër një platformë me sipërfaqe njësi të vendosur pingul me linjat.

Potenciali i fushës elektrostatike. Qarkullimi i fushës së vektorit E. Teorema mbi qarkullimin e vektorit E të fushës elektrostatike në int. dhe të ndryshme. format dhe përmbajtjen e tyre.

Meqenëse parimi i mbivendosjes vlen për forcën e fushës elektrostatike, atëherë çdo fushë elektrostatike është potenciale.

Teorema mbi qarkullimin e vektorit E të fushës elektrostatike: Qarkullimi E në një qark të mbyllur, L është gjithmonë zero.

Në ndryshim. forma:

Fusha elektrostatike është potenciale.

Energji potenciale ngarkesa pikësore në një fushë elektrostatike. Potenciali i fushës elektrostatike. sipërfaqet ekuipotenciale. Potenciali i fushës së një ngarkese të palëvizshme me pikë. Parimi i mbivendosjes për potencialin.

Energjia potenciale e një ngarkese në një fushë elektrostatike uniforme është:

Potenciali - vlera skalare, është karakteristikë energjetike e fushës në një pikë të caktuar dhe është e barabartë me raportin e energjisë potenciale që zotëron ngarkesa testuese ndaj kësaj ngarkese.

Sipërfaqe ekuipotencialeështë sipërfaqja në të cilën potenciali i një fushe të caktuar merr të njëjtën vlerë.

Potenciali i fushës së një ngarkese të palëvizshme në pikë:

Parimi i mbivendosjes për potencialet- Potenciali i fushës së krijuar nga GRU me një numër ngarkesash në një pikë arbitrare është i barabartë me shumën e potencialeve të fushave të krijuara nga çdo ngarkesë.

moment

dhe fiton potencial energji

Dipoli ka:

djersë minimale. energji:

në pozicion (pozicioni i ekuilibrit të qëndrueshëm);

djersitje maksimale. energji:

në pozicion (pozicioni i ekuilibrit të paqëndrueshëm);

Në të gjitha rastet e tjera, lind një moment forcash, duke e kthyer dipolin në një pozicion ekuilibri të qëndrueshëm.

Në një fushë elektrostatike të jashtme johomogjene, një moment forcash vepron në një dipol pikë dhe ky dipol ka një energji potenciale

Forca që vepron në një dipol pikë në një jouniforme. email stat. fushë:

Në emailin e jashtëm heterogjen. stat. Fusha e një dipoli pikësor nën veprimin e njëkohshëm të momentit të forcave rrotullohet në drejtim të fushës dhe forcës, lëviz në drejtimin ku moduli është më i madh (shtrihet drejt një fushe më të fortë).

Në dirigjent.

Në konduktor ka të lira. ngarkesa - transportues aktual, të aftë për të lëvizur nën ndikimin e një force arbitrare të vogël. në të gjithë përcjellësin.

Induksioni elektrostatik është fenomeni i rishpërndarjes së ngarkesave në sipërfaqen e një përcjellësi nën veprimin e një depoje. fushë elektrostatike.

Rishpërndarja ngarkesat ndalojnë., kur do të plotësohet ndonjë pikë e përcjellësit. kusht:

Sepse , pastaj forca e fushës elektrostatike në çdo pikë brenda përcjellësit:

Sepse atëherë

- potenciali i përcjellësit është i njëjtë. në të gjithë brendësinë e saj pika dhe në sipërfaqe

Kushtet për shpërndarjen stacionare të ngarkesave në një përcjellës:

2. Ed. nuk ka ngarkesa brenda përcjellësit dhe ngarkesat e shkaktuara shpërndahen

në sipërfaqen e saj ()

3. Pranë anës së jashtme të sipërfaqes. vektori i përcjellësit drejtohet përgjatë normales në këtë

sipërfaqe në çdo pikë ()

4. I gjithë vëllimi i përcjellësit është yavl. rajoni ekuipotencial, dhe sipërfaqja e tij është ekuipotenciale

Qarku me rrymë në një fushë magnetike. Momenti i forcave që veprojnë në një qark me rrymë dhe energjia potenciale e një qarku me rrymë në një fushë magnetike uniforme. Puna e forcave fushë magnetike kur lëviz një qark me rrymë.

Moment magnetik rryma e linjës Unë, duke shkuar përgjatë një konture të sheshtë të mbyllur (të gjitha pikat e së cilës shtrihen në të njëjtin plan):

S është sipërfaqja e kufizuar nga kontura; në SI = A*

Forca e Amperit që rezulton që vepron në një qark që mbart rrymë në një fushë magnetike uniforme është 0.

Prandaj, momenti total i forcave të amperit nuk varet nga zgjedhja e pikës O, në lidhje me të cilën llogaritet:

Momenti i forcave që veprojnë në një qark të mbyllur me rrymë I në një fushë magnetike të induksionit:

Kur M=0 (d.m.th., qarku i rrymës është në pozicionin e ekuilibrit).

Kur në kontur vepron momenti maksimal i forcave.

Energjia potenciale e një laku të mbyllur me rrymë në një fushë magnetike:

Puna e forcave të Amperit:

Në këtë rast, drejtimi i normales pozitive formon një sistem të djathtë. Kjo formulë është e vlefshme në rastin e zhvendosjes arbitrare të një konture të çdo forme në një fushë magnetike.

29. Fusha magnetike në materie. Magnetizimi i dia- dhe paramagnetëve. Vektori i magnetizimit . Teorema e qarkullimit të fushës vektoriale në integrale dhe forma diferenciale.

Çdo substancë është magnetike (d.m.th., e aftë të magnetizohet nën ndikimin e një fushe magnetike të jashtme)

Rryma e përcjelljes (I, ) është rryma për shkak të lëvizjes së drejtuar të bartësve të rrymës në substancë.

Rrymat molekulare () - rryma që lidhen me lëvizjen orbitale dhe rrotullimin e grimcave elementare në atomet e materies. Çdo rrymë molekulare ka një moment magnetik.

Diamagnetët janë substanca, momentet magnetike të atomeve në mungesë të një fushe magnetike të jashtme janë të barabarta me zero, d.m.th. Kompensohen momentet magnetike të të gjitha grimcave elementare të një atomi (molekule).

Paramagnetët janë substanca, atomet e të cilave në mungesë të një fushe magnetike të jashtme kanë një moment magnetik jo zero, por drejtimi i tyre është i orientuar rastësisht.

Kur një diamagnet futet në një fushë magnetike të jashtme, një moment shtesë induktohet në secilin prej atomeve të tij, i drejtuar kundër fushës magnetike të jashtme.

Kur një paramagnet futet në një fushë magnetike të jashtme, momenti magnetik i atomeve (molekulave) të tij orientohet në drejtim të fushës së jashtme.

Magnetizimi i një substance është për shkak të orientimit ose induksionit mbizotërues të molekulave individuale në një drejtim. Magnetizimi i një substance çon në shfaqjen e rrymave të magnetizimit (rrymat molekulare mesatarisht në rajonin makroskopik):

ku është vektori i densitetit të rrymës magnetizuese që kalon nëpër sipërfaqen e orientuar S.

Sipas parimit të mbivendosjes:

ku është induksioni i fushës së jashtme;

Induksioni i fushës magnetike të rrymave magnetizuese.

Vektori i magnetizimit është karakteristikë sasiore gjendja e magnetizuar e një substance, e barabartë me raportin e momentit total magnetik të një vëllimi fizikisht të vogël të një magneti për këtë vëllim:

Në SI [J] = A/m.

Teorema e qarkullimit të vektorit të fushës magnetostatike në formë diferenciale:

në çdo pikë të fushës magnetostatike, rotori i vektorit është i barabartë me vektorin e densitetit të rrymës së magnetizimit në të njëjtën pikë.