Elektrostatik -bu, seçilen bir eylemsiz referans çerçevesine göre durağan olan elektrik yüklerinin sistemlerinin etkileşimini ve özelliklerini inceleyen bir fizik dalıdır.

Tüm doğal fenomen çeşitliliği, temel parçacıklar arasındaki dört temel etkileşime dayanmaktadır.

yerçekimsel,

elektromanyetik,

Elektrik yükü - taşıyıcı elektromanyetik etkileşim.

Ücretlerin temel özellikleri

1. Elektrik yükü iki tip olabilir: pozitif(cilt cama sürtüldüğünde) ve olumsuz(ebonit ile kürkün sürtünmesi sırasında). Elektrik yükü aynı işaretli cisimler birbirini iter, zıt işaretli cisimler birbirini çeker.

2. Taşıyıcılar elektrik şarjı yüklü temel parçacıklardır temel ücret(Coulomb, elektrik yükünün SI birimidir)

proton pozitif bir yük taşıyıcıdır (+ e), (m p\u003d 1,6710 -27 kg);

elektron – negatif yük taşıyıcısı (– e), (m e\u003d 9.1110 -31 kg).

Başka herhangi bir cismin yükü, tam sayı katıdır. temel elektrik yükü.

3. Elektrik yükünün korunumu temel yasası(herhangi bir doğum ve yıkım sürecinde gerçekleştirilir) temel parçacıklar): elektriksel olarak izole edilmiş herhangi bir sistemde, yüklerin cebirsel toplamı değişmez .

4. Elektrik yükü görecelicki değişmez: değeri referans çerçevesine bağlı değildir ve bu nedenle hareket halinde mi yoksa hareketsiz mi olduğuna bağlı değildir.

Dolayısıyla, bir cismi pozitif olarak yüklemek, ondan belirli sayıda elektronu almak, olumsuz olarak yüklemek ise vücuda belirli sayıda fazladan elektron vermek anlamına gelir. 1 nC = 10 -9 C mertebesindeki cisimlerin ücretlerinin zaten oldukça önemli kabul edilebileceğine dikkat edin. Bir cismin böyle bir yüke sahip olması için, içindeki elektronların sayısı proton sayısından ! şeyler.

Ücretsiz ücretlerin konsantrasyonuna bağlı olarak cisimlerin sınıflandırılması

iletkenler(hacim boyunca ücretlerin serbest dolaşımı olan cisimler);

1. iletkenlerbentür- metaller (yükler kimyasal dönüşümler olmadan hareket eder);

   iletkenlerIItür- elektrolitler (yüklerin hareketine kimyasal dönüşümler eşlik eder);

yarı iletkenler(sınırlı yük hareketi olan cisimler);

dielektrikler(pratik olarak ücretsiz ücretin olmadığı kuruluşlar);

Elektrik yükü birimi Coulomb, akım biriminin bir türevidir, 1 s (1Cl = 1A1s) zamanında 1 A akımında iletkenin enine kesitinden geçen bir elektrik yüküdür.

Coulomb yasası. Dielektrik geçirgenliği ve fiziksel anlamı

Pirinç. 1. Nokta ücretlerinin etkileşim şeması

, (1)

nerede k- ölçü birimi seçimine bağlı olarak orantılılık katsayısı. SI sisteminde

- elektrik sabiti.

Kuvvet F aranan Coulomb kuvveti, yükler farklı işaretlere sahipse çekici bir kuvvettir (Şekil 1) ve yükler aynı işarete sahipse itici bir kuvvettir.

Dielektrik içine elektrik yükleri yerleştirilirse, elektrik etkileşiminin gücü şu ifadeye göre azalır:

, (2)

nerede - bir dielektrikteki nokta yüklerin etkileşim kuvvetinin, vakumdaki etkileşimlerinin kuvvetinden kaç kez daha az olduğunu gösteren ortamın dielektrik geçirgenliği.

Bazı Maddeler İçin Dielektrik Sabit Değerleri

Elektrik şarjı- bu fiziksel miktar parçacıkların veya cisimlerin elektromanyetik etkileşimlere girme yeteneğini karakterize eder. Elektrik yükü genellikle harflerle gösterilir q veya Q. SI sisteminde, elektrik yükü Coulomb (C) cinsinden ölçülür. 1 C'lik ücretsiz bir ücret, pratik olarak doğada bulunmayan devasa bir ücrettir. Kural olarak, mikrocoulomb (1 μC = 10 -6 C), nanocoulomb (1 nC = 10 -9 C) ve pikokoulomb (1 pC = 10 -12 C) ile uğraşmak zorunda kalacaksınız. Elektrik yükü aşağıdaki özelliklere sahiptir:

1. Elektrik yükü bir tür maddedir.

2. Elektrik yükü parçacığın hareketine ve hızına bağlı değildir.

3. Ücretler (örneğin doğrudan temas yoluyla) bir kurumdan diğerine aktarılabilir. Vücut kütlesinden farklı olarak, elektrik yükü belirli bir cismin doğal bir özelliği değildir. Farklı koşullarda aynı vücut farklı bir yüke sahip olabilir.

4. Geleneksel olarak adlandırılan iki tür elektrik yükü vardır. pozitif ve olumsuz.

5. Tüm yükler birbiriyle etkileşime girer. Aynı zamanda, benzer yükler birbirini iter, aksine yükler birbirini çeker. Yüklerin etkileşim kuvvetleri merkezidir, yani yük merkezlerini birbirine bağlayan düz bir çizgi üzerinde uzanırlar.

6. olarak adlandırılan mümkün olan en küçük (modulo) elektrik yükü vardır. temel ücret. Anlamı:

e= 1.602177 10 -19 C ≈ 1.6 10 -19 C

Herhangi bir cismin elektrik yükü her zaman temel yükün katıdır:

nerede: N bir tamsayıdır. Lütfen 0,5'e eşit bir ücret almanın imkansız olduğunu unutmayın. e; 1,7e; 22,7e ve benzeri. Yalnızca kesikli (sürekli olmayan) bir dizi değer alabilen fiziksel niceliklere denir. nicelenmiş. temel ücret e, elektrik yükünün kuantumudur (en küçük kısım).

7. Elektrik yükünün korunumu yasası. Yalıtılmış bir sistemde, tüm cisimlerin yüklerinin cebirsel toplamı sabit kalır:

Elektrik yükünün korunumu yasası şunu belirtir: kapalı sistem bedenler, doğum süreçleri veya yalnızca bir işaretin suçlamalarının ortadan kalkması gözlemlenemez. Aynı boyut ve şekildeki iki cismin yükleri varsa, yükün korunumu yasasından da kaynaklanır. q 1 ve q 2 (yüklerin hangi işaret olduğu önemli değil), temas ettirin ve sonra geri dönün, ardından her bir cismin yükü eşit olacaktır:

Modern bakış açısından, yük taşıyıcılar temel parçacıklardır. Tüm sıradan cisimler, pozitif yüklü atomları içeren atomlardan oluşur. protonlar, negatif yüklü elektronlar ve nötr parçacıklar nötronlar. Protonlar ve nötronlar bir parçasıdır atom çekirdeği, elektronlar oluşur elektron kabuğu atomlar. Proton ve elektron modülünün elektrik yükleri tamamen aynıdır ve temel (yani mümkün olan minimum) yüke eşittir. e.

Nötr bir atomda çekirdekteki proton sayısı kabuktaki elektron sayısına eşittir. Bu sayıya atom numarası denir. Belirli bir maddenin atomu bir veya daha fazla elektron kaybedebilir veya fazladan bir elektron alabilir. Bu durumlarda nötr atom, pozitif veya negatif yüklü bir iyona dönüşür. Lütfen pozitif protonların bir atomun çekirdeğinin bir parçası olduğunu unutmayın, bu nedenle sayıları yalnızca nükleer reaksiyonlar sırasında değişebilir. Açıkçası, cisimleri elektriklendirirken nükleer reaksiyonlar Olmuyor. Bu nedenle, herhangi bir elektrik olayında proton sayısı değişmez, sadece elektron sayısı değişir. Bu nedenle, bir cisme negatif yük vermek, ona fazladan elektron aktarmak anlamına gelir. Ve pozitif bir yükün mesajı, yaygın bir hatanın aksine, protonların eklenmesi değil, elektronların çıkarılması anlamına gelir. Yük, bir gövdeden diğerine yalnızca tam sayıda elektron içeren kısımlarda aktarılabilir.

Bazen problemlerde elektrik yükü bazı vücutlara dağılır. Bu dağılımı açıklamak için aşağıdaki miktarlar tanıtılmıştır:

1. Doğrusal yük yoğunluğu. Filament boyunca yük dağılımını tanımlamak için kullanılır:

nerede: L- iplik uzunluğu. C/m cinsinden ölçülür.

2. Yüzey yük yoğunluğu. Bir cismin yüzeyi üzerindeki yük dağılımını tanımlamak için kullanılır:

nerede: S vücudun yüzey alanıdır. C / m2 cinsinden ölçülmüştür.

3. Toplu yük yoğunluğu. Bir cismin hacmi üzerindeki yük dağılımını tanımlamak için kullanılır:

nerede: V- vücudun hacmi. C / m3 olarak ölçülmüştür.

Lütfen bunu not al elektron kütlesi eşittir:

me\u003d 9.11 ∙ 10 -31 kg.

Coulomb yasası

nokta şarjı Bu problemin koşulları altında boyutları ihmal edilebilecek yüklü bir cisim olarak adlandırılır. Çok sayıda deneye dayanarak, Coulomb aşağıdaki yasayı kurdu:

Sabit nokta yüklerinin etkileşim kuvvetleri, yük modüllerinin çarpımı ile doğru orantılı ve aralarındaki mesafenin karesi ile ters orantılıdır:

nerede: ε - ortamın dielektrik geçirgenliği - belirli bir ortamdaki elektrostatik etkileşim kuvvetinin vakumdakinden kaç kez daha az olacağını (yani ortamın etkileşimi kaç kez zayıflattığını) gösteren boyutsuz bir fiziksel nicelik. Burada k- Coulomb yasasındaki katsayı, yüklerin etkileşim kuvvetinin sayısal değerini belirleyen değer. SI sisteminde değeri şuna eşit alınır:

k= 9∙10 9 m/F.

Noktasal hareketsiz yüklerin etkileşim kuvvetleri Newton'un üçüncü yasasına uyar ve aynı anda birbirlerinden itme kuvvetleridir. aynı işaretler farklı işaretlerle birbirlerine yükler ve çekim güçleri. Sabit elektrik yüklerinin etkileşimine denir. elektrostatik veya Coulomb etkileşimi. Coulomb etkileşimini inceleyen elektrodinamik bölümüne denir. elektrostatik.

Coulomb yasası nokta yüklü cisimler, düzgün yüklü küreler ve toplar için geçerlidir. Bu durumda mesafeler için r kürelerin veya topların merkezleri arasındaki mesafeyi alın. Uygulamada, yüklü cisimlerin boyutları aralarındaki mesafeden çok daha küçükse, Coulomb yasası iyi bir şekilde yerine getirilmiştir. katsayı k SI sisteminde bazen şöyle yazılır:

nerede: ε 0 \u003d 8.85 10 -12 F / m - elektrik sabiti.

Deneyimler, Coulomb etkileşiminin kuvvetlerinin üst üste gelme ilkesine uyduğunu göstermektedir: eğer yüklü bir cisim aynı anda birkaç yüklü cisimle etkileşirse, bu cisim üzerine etkiyen sonuçta ortaya çıkan kuvvet eşittir. vektör toplamı diğer tüm yüklü cisimlerden bu cisme etki eden kuvvetler.

İki önemli tanımı da unutmayın:

iletkenler- serbest elektrik yükü taşıyıcıları içeren maddeler. İletkenin içinde mümkündür serbest dolaşım elektronlar - yük taşıyıcıları (iletkenlerde akabilir elektrik). İletkenler arasında metaller, elektrolit çözeltileri ve eriyikler, iyonize gazlar ve plazma bulunur.

Dielektrikler (yalıtkanlar)- ücretsiz taşıyıcıların bulunmadığı maddeler. Dielektriklerin içindeki elektronların serbest hareketi imkansızdır (elektrik akımı içlerinden geçemez). Birliğe eşit olmayan belirli bir geçirgenliğe sahip olan dielektriklerdir. ε .

Bir maddenin geçirgenliği için aşağıdaki doğrudur (bir elektrik alanının biraz daha düşük olduğu hakkında):

Elektrik yükü ve temel özellikleri.

Elektrik yükünün korunumu yasası.

Elektrik şarjı yoğunluğunu belirleyen skaler bir fiziksel niceliktir elektromanyetik etkileşimler. Yük birimi [q] pandantiftir.

Elektrik yükü özellikleri:

1. Elektrik şarjı kesin bir miktar değildir, hem pozitif hem de negatif yükler vardır.

2. Elektrik şarjı- değer değişmez. Yük taşıyıcı hareket ettiğinde değişmez.

3. Elektrik şarjı katkı.

4. Elektrik şarjı temelin katı. q = Ne. Bu yük özelliğine ayrıklık (kuantizasyon) denir.

5. Toplam elektrik şarjı hiç yalıtılmış sistem kaydedilir. Bu özellik elektrik yükünün korunumu yasası.

Elektrik yükünün korunumu yasası - elektrik yükleri yaratılmaz ve kaybolmaz, sadece bir vücuttan diğerine aktarılır veya vücut içinde yeniden dağıtılır.

Elektrostatik. nokta şarjı. Coulomb yasası. Kuvvetlerin süperpozisyonu ilkesi. Hacim yüzeyi ve lineer yük yoğunluğu.

Elektrostatik- hareketsiz elektrik yüklerinin etkileşimini inceleyen elektrik doktrininin bir bölümü.

nokta şarjı ihmal edilebilecek yüklü bir cisim, boyut ve şekildir.

Coulomb yasasının formülasyonu:İki nokta elektrik yükü arasındaki elektrostatik etkileşimin gücü, yüklerin büyüklüklerinin çarpımı ile doğru orantılıdır, aralarındaki mesafenin karesi ile ters orantılıdır ve onları birbirine bağlayan düz çizgi boyunca yönlendirilir, böylece benzer yükler iter ve farklı yükler. suçlamalar çekiyor.

Kuvvetlerin süperpozisyonu ilkesi birkaç kuvvetin eyleminin, bir sonucun eylemiyle değiştirilebileceğidir. Bileşik, sonucu bu cisme uygulanan tüm kuvvetlerin eşzamanlı etkisine eşdeğer olan tek kuvvettir.

Doğrusal yük yoğunluğu: birim uzunluk başına yük.

Yüzey yük yoğunluğu: birim alan başına yük.

Hacimsel yük yoğunluğu: birim hacim başına yük.

tansiyon Elektrik alanı. kuvvet hatları elektrostatik alan. Sabit alanın alan gücü nokta şarjı. elektrostatik alan. Süperpozisyon ilkesi.

Elektrik alan gücü- belirli bir noktadaki elektrik alanını karakterize eden ve sabit bir nokta yüküne etki eden kuvvetin oranına sayısal olarak eşit bir vektör fiziksel niceliği verilen nokta alan, bu yükün değerine q.

Elektrostatik alan çizgileri aşağıdaki özelliklere sahiptir:

1. Her zaman açık: ile başlayın pozitif masraflar(veya sonsuzda) ve ile bitiyor negatif masraflar(veya sonsuzda).

2 . Birbirleriyle kesişmez veya dokunmazlar.

3 . Çizgilerin yoğunluğu ne kadar büyükse, yoğunluk o kadar büyük olur, yani alan gücü sayı ile doğru orantılıdır. kuvvet hatlarıçizgilere dik olarak yerleştirilmiş birim alanlı bir platformdan geçmektedir.

Elektrostatik alanın potansiyeli. E vektörünün alanının dolaşımı. Elektrostatik alanın E vektörünün int cinsinden dolaşımına ilişkin teorem. ve fark. formları ve içerikleri.

Elektrostatik alanın gücü için süperpozisyon ilkesi geçerli olduğundan, o zaman herhangi bir elektrostatik alan potansiyeldir.

Elektrostatik alanın E vektörünün dolaşımına ilişkin teorem: dolaşım E kapalı bir döngüde L her zaman sıfırdır.

Fark olarak biçim:

Elektrostatik alan potansiyeldir.

Potansiyel enerji Elektrostatik alanda nokta yükü. Elektrostatik alanın potansiyeli. eş potansiyel yüzeyler. Noktasal hareketsiz bir yükün alan potansiyeli. Potansiyel için süperpozisyon ilkesi.

Düzgün bir elektrostatik alandaki bir yükün potansiyel enerjisi:

potansiyel - skaler değer, alanın belirli bir noktadaki enerji özelliğidir ve test yükünün sahip olduğu potansiyel enerjinin bu yüke oranına eşittir.

eş potansiyel yüzey belirli bir alanın potansiyelinin aynı değeri aldığı yüzeydir.

Noktasal hareketsiz yükün alan potansiyeli:

Potansiyeller için süperpozisyon ilkesi- GRU tarafından rastgele bir noktada bir dizi yük ile oluşturulan alanın potansiyeli, her bir yük tarafından oluşturulan alanların potansiyellerinin toplamına eşittir.

an

ve potansiyel kazanır enerji

Dipol vardır:

minimum ter. enerji:

pozisyonda (kararlı denge pozisyonu);

maksimum ter. enerji:

pozisyonda (kararsız denge pozisyonu);

Diğer tüm durumlarda, dipolü kararlı bir denge konumuna çeviren bir kuvvet momenti ortaya çıkar.

Harici homojen olmayan bir elektrostatik alanda, bir nokta dipole bir kuvvet momenti etki eder ve bu dipol bir potansiyel enerjiye sahiptir.

Düzgün olmayan bir noktadaki dipole etkiyen kuvvet. e-posta stat. alan:

Harici heterojen e-postada. stat. Nokta dipolün alanı, kuvvetlerin momentinin aynı anda etkisi altında, alan ve kuvvet yönünde döner, modülün daha büyük olduğu yönde hareket eder (daha güçlü bir alana doğru uzanır).

İletkende.

İletkende ücretsiz var. ücretler - keyfi olarak küçük bir kuvvetin etkisi altında hareket edebilen mevcut taşıyıcılar. iletken boyunca.

Elektrostatik indüksiyon, bir deponun etkisi altında bir iletkenin yüzeyindeki yüklerin yeniden dağıtılması olgusudur. elektrostatik alan.

yeniden dağıtım şarjlar durur., iletkenin herhangi bir noktası yerine getirildiğinde. şart:

Çünkü , sonra elektrostatik alanın gücü iletken içinde herhangi bir noktada:

Çünkü o zaman

- iletkenin potansiyeli aynıdır. tüm iç yapısıyla noktalar ve yüzeyde

Bir iletkendeki ücretlerin sabit dağılımı için koşullar:

2.Ed. iletken içinde hiçbir yük yoktur ve indüklenen yükler dağıtılır

yüzeyinde ()

3. Yüzeyin dış tarafına yakın. iletken vektör buna normal boyunca yönlendirilir

her noktada yüzey ()

4. İletkenin tüm hacmi yavl'dir. eş potansiyel bölge ve yüzeyi eş potansiyeldir

Manyetik alanda akım olan devre. Düzgün bir manyetik alanda akımlı bir devreye etki eden kuvvetlerin momenti ve akımlı bir devrenin potansiyel enerjisi. Kuvvetlerin çalışması manyetik alan akım ile bir devreyi hareket ettirirken.

manyetik moment hat akımı Ben, kapalı bir düz kontur boyunca ilerliyorum (tüm noktaları aynı düzlemde duruyor):

S, konturla sınırlanan yüzey alanıdır; SI'de = A*

Düzgün bir manyetik alanda akım taşıyan bir devreye etki eden sonuçta oluşan Amper kuvveti 0'dır.

Bu nedenle, amper kuvvetlerinin toplam momenti, hesaplandığı O noktasının seçimine bağlı değildir:

Manyetik bir indüksiyon alanında I akımı olan kapalı bir devreye etki eden kuvvetlerin momenti:

M=0 olduğunda (yani, akım taşıyan devre denge konumundadır).

Maksimum kuvvet momenti kontura etki ettiğinde.

Manyetik alanda akım olan kapalı bir döngünün potansiyel enerjisi:

Amper kuvvetlerinin işi:

Bu durumda, pozitif normalin yönü sağ elini kullanan bir sistem oluşturur. Bu formül, bir manyetik alanda herhangi bir şeklin konturunun keyfi olarak yer değiştirmesi durumunda geçerlidir.

29. Maddedeki manyetik alan. Dia ve paramagnetlerin manyetizasyonu. manyetizasyon vektörü . Vektör alan sirkülasyon teoremi integralde ve diferansiyel form.

Herhangi bir madde manyetiktir (yani, harici bir manyetik alanın etkisi altında manyetize edilebilir)

İletim akımı (I, ), maddedeki akım taşıyıcılarının yönlendirilmiş hareketinden kaynaklanan akımdır.

Moleküler akımlar () - maddenin atomlarındaki temel parçacıkların yörünge hareketi ve dönüşü ile ilişkili akımlar. Her moleküler akımın bir manyetik momenti vardır.

Diamagnetler, harici bir manyetik alanın yokluğunda atomların manyetik momentleri sıfıra eşit olan maddelerdir, yani. bir atomun (molekülün) tüm temel parçacıklarının manyetik momentleri dengelenir.

Paramagnetler, harici bir manyetik alanın yokluğunda atomları sıfır olmayan bir manyetik momente sahip olan, ancak yönleri rastgele yönlendirilmiş maddelerdir.

Bir diamagnet harici bir manyetik alana sokulduğunda, atomlarının her birinde harici manyetik alana karşı yönlendirilen ek bir moment indüklenir.

Bir dış manyetik alana bir paramanyet yerleştirildiğinde, atomlarının (moleküllerinin) manyetik momenti dış alan yönünde yönlendirilir.

Bir maddenin manyetizasyonu, tek tek moleküllerin bir yönde baskın yönelimi veya indüksiyonundan kaynaklanır. Bir maddenin manyetizasyonu, manyetizasyon akımlarının (makroskopik bölge üzerinden ortalaması alınan moleküler akımlar) ortaya çıkmasına neden olur:

yönlendirilmiş yüzey S'den geçen mıknatıslama akımının yoğunluk vektörü nerede.

Süperpozisyon ilkesine göre:

dış alanın indüksiyonu nerede;

Mıknatıslama akımlarının manyetik alan indüksiyonu.

manyetizasyon vektörü nicel özellik Fiziksel olarak küçük bir mıknatıs hacminin toplam manyetik momentinin bu hacim için oranına eşit olan bir maddenin manyetize durumu:

SI'de [J] = A/m.

Diferansiyel biçimde manyetostatik alan vektörü sirkülasyon teoremi:

manyetostatik alanın herhangi bir noktasında, vektörün rotoru, aynı noktadaki manyetizasyon akım yoğunluğu vektörüne eşittir.