5. Электростатика

Закон Кулона

1. Заряженные тела взаимодействуют. В природе существует два вида зарядов, их условно называют положительными и отрицательными. Заряды одного знака (одноименные) отталкиваются, заряды противоположных знаков (разноименные) притягиваются. Единица измерения зарядов в системе СИ – кулон (обозначается

2. В природе существует минимально возможный заряд. Его называют

элементарным и обозначают e . Численное значение элементарного зарядаe ≈ 1,6 10–19 Кл, Заряд электронаq электр = –e , заряд протонаq протона = +e . Все заряды

в природе кратны элементарному заряду.

3. В электрически изолированной системе алгебраическая сумма зарядов остается неизменной. Например, если соединить два одинаковых металлических шарика с зарядами q 1 = 5 нКл = 5 10–9 Кл иq 2 = – 1 нКл, то заряды распределятся

между шариками поровну и заряд q каждого из шариков станет равным

q = (q 1 + q 2 ) / 2= 2 нКл.

4. Заряд называется точечным, если его геометрические размеры значительно меньше расстояний, на которых изучается действие этого заряда на другие заряды.

5. Закон Кулона определяет величину силы электрического взаимодействия двух неподвижных точечных зарядов q 1 иq 2 , расположенных на расстоянииr друг от друга (рис.1)

Здесь F 12 - сила, действующая на первый заряд со стороны второго,F 21 - сила,

действующая на второй заряд со стороны первого, k ≈ 9 10 9 Н м2 /Кл2 – постоянная в законе Кулона. В системе СИ эту постоянную принято записывать в виде

k = 4 πε 1 0 ,

где ε 0 ≈ 8,85 10 − 12 Ф/м – электрическая постоянная.

6. Сила взаимодействия двух точечных зарядов не зависит от наличия вблизи этих зарядов других заряженных тел. Это утверждение называют принципом суперпозиции.

Вектор напряженности электрического поля

1. Поместим вблизи неподвижного заряженного тела (или нескольких тел) точечный заряд q . Будем считать, что величина зарядаq настолько мала, что он не вызывает перемещение зарядов в других телах (такой заряд называют пробным).

Со стороны заряженного тела на неподвижный пробный заряд q будет действовать силаF . В соответствии с законом Кулона и принципом суперпозиции силаF будет пропорциональна величине зарядаq . Это означает, что, если величину пробного заряда увеличить, например в 2 раза, то величина силыF возрастет тоже в 2 раза, если знак зарядаq сменить на противоположный, то и сила сменит направление на противоположное. Такую пропорциональность можно выразить формулой

F = qE.

Вектор E называется вектором напряженности электрического поля. Этот вектор зависит от распределения зарядов в телах, создающих электрическое поле, и

от положения точки, в которой указанным способом определен вектор E . Можно сказать, что вектор напряженности электрического поля равен силе, действующей на единичный положительный заряд, помещенный в данную точку пространства.

Определение E G = F G /q можно обобщить и на случай переменных (зависящих от времени) полей.

2. Вычислим вектор напряженности электрического поля, созданного неподвижным точечным зарядом Q . Выберем некоторую точкуA , расположенную на расстоянииr от точечного зарядаQ . Чтобы определить вектор напряженности в этой точке, мысленно поместим в нее положительный пробный зарядq . На

пробный заряд со стороны точечного заряда Q будет действовать сила притяжения или отталкивания в зависимости от знака зарядаQ . Величина этой силы равна

F = k| Q| q. r2

Следовательно, модуль вектора напряженности электрического поля, созданного неподвижным точечным зарядом Q в точкеA , удаленной от него на расстояниеr , равен

E = k r |Q 2 |.

Вектор E G начинается в точкеA и направлен от зарядаQ , еслиQ > 0 , и к зарядуQ ,

если Q < 0 .

3. Если электрическое поле создается несколькими точечными зарядами, то вектор напряженности в произвольной точке можно найти при помощи принципа суперпозиции полей.

4. Силовой линией (линией вектора E ) называют геометрическую линию,

касательная к которой в каждой точке совпадает с вектором E в этой точке.

Иными словами, вектор E направлен по касательной к силовой линии в каждой ее точке. Силовой линии приписывают направление - вдоль вектораE . Картина силовых линий является наглядным образом силового поля, дает представление о пространственной структуре поля, его источниках, позволяет определять направление вектора напряженности в любой точке.

5. Однородным электрическим полем называют поле, вектор E которого одинаков (по величине и направлению) во всех точках. Такое поле создает, например, равномерно заряженная плоскость в точках, расположенных достаточно близко от этой плоскости.

6. Поле однородно заряженного по поверхности шара равно нулю внутри шара,

а вне шара совпадает с полем точечного заряда Q , расположенного в центре шара:

где Q – заряд шара,R – его радиус,r – расстояние от центра шара до точки, в

которой определяется вектор E .

7. В диэлектриках поле ослабляется. Например, точечный заряд или однородно заряженный по поверхности шар, погруженные в масло, создают электрическое поле

E = k ε |r Q 2 |,

где r – расстояние от точечного заряда или центра шара до точки, в которой определяется вектор напряженности,ε - диэлектрическая проницаемость масла. Диэлектрическая проницаемость зависит от свойств вещества. Диэлектрическая проницаемость вакуумаε = 1, диэлектрическая проницаемость воздуха очень близка к единице (при решении задач обычно ее считают равной 1), для иных газообразных, жидких и твердых диэлектриковε > 1.

8. При равновесии зарядов (если нет их упорядоченного движения) напряженность электрического поля внутри проводников равна нулю.

Работа в электрическом поле. Разность потенциалов.

1. Поле неподвижных зарядов (электростатическое поле) обладает важным свойством: работа сил электростатического поля по перемещению пробного заряда из некоторой точки 1 в точку 2 не зависит от формы траектории, а определяется только положениями начальной и конечной точек. Поля, обладающие таким свойством, называются консервативными. Свойство консервативности позволяет определить так называемую разность потенциалов для двух любых точек поля.

Разность потенциалов ϕ 1 −ϕ 2 в точках 1 и 2 равна отношению работыA 12 сил поля по перемещению пробного зарядаq из точки 1 в точку 2 квеличинеэтого заряда:

ϕ1 - ϕ2 =A q 12 .

Такое определение разности потенциалов имеет смысл только потому, что работа не зависит от формы траектории, а определяется положениями начальной и конечной точек траекторий. В системе СИ разность потенциалов измеряется в вольтах: 1В = Дж/Кл.

Конденсаторы

1. Конденсатор состоит из двух проводников (их называют обкладками), отделенных один от другого слоем диэлектрика (рис.2), причем заряд одной

обкладки Q , а другой –Q . Заряд положительной обкладкиQ называют зарядом конденсатора.

2. Можно показать, что разность потенциалов ϕ 1 −ϕ 2 между обкладками пропорциональна величине зарядаQ , то есть, если, например, зарядQ увеличить в 2 раза, то и разность потенциалов увеличится в 2 раза.

ε S

ϕ 1ϕ 2

Рис.2 Рис.3

Такую пропорциональность можно выразить формулой

Q = C (ϕ 1 -ϕ 2 ) ,

где C - коэффициент пропорциональности между зарядом конденсатора и разностью потенциалов между его обкладками. Этот коэффициент называют электроемкостью или просто емкостью конденсатора. Емкость зависит от геометрических размеров обкладок, их взаимного расположения и диэлектрической проницаемости среды. Разность потенциалов называют также напряжением, которое обозначаютU . Тогда

Q = CU.

3. Плоский конденсатор представляет собой две плоские проводящие пластины, расположенные параллельно друг другу на расстоянии d (рис.3). Это расстояние предполагается малым по сравнению с линейными размерами пластин. Площадь каждой пластины (обкладки конденсатора) равнаS , заряд одной пластиныQ , а другой –Q .

На некотором расстоянии от краев поле между пластинами можно считать однородным. Поэтому ϕ 1 -ϕ 2 = Ed , или

U = Ed.

Емкость плоского конденсатора определяется формулой

C = εε d 0 S ,

где ε 0 =8,85 10–12 Ф/м – электрическая постоянная,ε - диэлектрическая проницаемость диэлектрика между обкладками. Из этой формулы видно, что для получения конденсатора большой емкости нужно увеличивать площадь обкладок и уменьшать расстояние между ними. Наличие между обкладками диэлектрика с большой диэлектрической проницаемостьюε также приводит к увеличению емкости. Роль диэлектрика между обкладками состоит не только в повышении диэлектрической проницаемости. Важно также, что хорошие диэлектрики могут выдерживать высокое электрическое поле, не допуская пробоя между обкладками.

В системе СИ емкость измеряют в фарадах. Плоский конденсатор в одну фараду имел бы гигантские размеры. Площадь каждой пластины была бы примерно равна 100 км2 при расстоянии между ними 1 мм. Конденсаторы широко используются в технике, в частности, для накопления зарядов.

4. Если обкладки заряженного конденсатора замкнуть металлическим проводником, то в проводнике возникнет электрический ток и конденсатор разрядится. При протекании тока в проводнике выделится определенное количество теплоты, а это означает, что заряженный конденсатор обладает энергией. Можно показать, что энергия любого заряженного конденсатора (не обязательно плоского) определяется формулой

W = 1 2 CU2 .

Учитывая, что Q = CU , формулу для энергии можно переписать также в виде

W = Q 2 =QU .

12. Диэлектрики в эл.поле. Молекулы полярных и неполярных диэлектриков в эл.поле. Поляризация диэлектриков. Виды поляризации.

1. Полярные диэлектрики.

В отсутствии поля каждый из диполей обладает электрическим моментом, но вектора электрических моментов молекул расположены в пространстве хаотично и сумма проекций электрических моментов на любое направление равна нулю:

Если теперь диэлектрик поместить в электрическое поле (рис. 18), то на каждый диполь начнет действовать пара сил, которая создаст момент под действием которого диполь будет поворачиваться вокруг оси, перпендикулярной плечу, стремясь к конечному положению, когда вектор электрического момента будет параллелен вектору напряженности электрического поля. Последнему будет мешать тепловое движение молекул, внутреннее трение и т.д. и поэтому

электрические моменты диполей будут составлять некоторые углы с направлением вектора внешнего поля, но теперь уже у большего числа молекул будут составляющие проекции электрических моментов на направление, совпадающее, например, с напряженностью поля и сумма проекций всех электрических моментов уже будет отлична от нуля.

Величина, показывающая способность диэлектрика созда-вать большую или меньшую поляризацию, то есть харак-теризующая податливость диэлектрика к поляризации называется диэлектрической восприимчивостью или поляризуемостью диэлектрика ().

16. Поток вектора эл.индукции(однородного и неоднород-ного опля). Поток через замкнутую поверхность. Т.Гаусса для эл. Поля в среде.

Подобно потоку вектора напряженности можно ввести и понятие потока вектора индукции , оставив то же свойство, что и для напряженности-вектор индукции пропорционален числу линий, проходящих через единицу площади поверхности. Можно указать следующие свойства:

1.Поток через плоскую поверхность в однородном поле (рис. 22).В этом случае вектор индукции направлен по полю и поток линии индукции может быть выражен следующим образом:

2. Поток вектора индукции через поверхность в неоднородном поле подсчитывают путем разбиения поверхности на элементы столь малые, чтобы их можно было считать плоскими, а поле вблизи каждого элемента однородным. Полный поток вектора индукции будет равен:

3. Поток вектора индукции через замкнутую поверхность.

Рассмотрим поток вектора индукции пересекающего замкнутую поверхность (рис.23). Условимся направление внешних нормалей считать положительными. Тогда в тех точках поверхности, где вектор индукции направлен по касательной к линии индукции наружу, угол

и поток линий индукции будет положительным, а там, где вектор D индукции будет положительным, а там, где вектор D направлен внутрь поверхности, поток линий индукции будет отрицательным, т.к и .Таким образом общий поток линий индукции пронизывающих замкнутую поверхность насквозь равен нулю.

На основании теоремы Гаусса получаем, что внутри замкнутой поверхности, проведенной в проводнике, некомпенсированные электрические заряды отсутствуют. Это свойство сохраняется и в том случае, когда проводнику сообщен избыточный заряд

На противоположной стороне возникнет равный по величине, но положительный заряд. В результате внутри проводника возникнет индуцированное электрическое поле Е инд , направленное навстречу внешнему полю, которое будет расти до тех пор, пока оно не сравняется с внешним полем и таким образом результирующее поле внутри проводника становится равно нулю. Этот процесс происходит в течение очень короткого времени.

Индуцированные заряды располагаются на поверхности проводника в очень тонком слое.

Потенциал во всех точках проводника остается одинаков, т.е. внешняя поверхность проводника является эквипотенциальной.

Замкнутый полый проводник экранирует только поле внешних зарядов. Если электрические заряды находятся внутри полости, то индукционные заряды возникнут не только на внешней поверхности проводника, но и на внутренней и замкнутая проводящая полость уже не экранирует поле электрических зарядов помещенных внутрь ее.

. Напряженность поля вблизи проводника прямо пропорциональна поверхностной плотности заряда на нем.

1 .Два рода электрических зарядов и их свойства. Наименьший неделимый электрический заряд. Закон сохранения электрических зарядов. Закон Кулона. Единица заряда. Электростатическое поле. Способ обнаружения поля. Напряженность как характеристика электростатического поля. Вектор напряженности, его направление. Напряженность электрического поля точечного заряда. Единицы напряженности. Принцип суперпозиции полей.

Электрический заряд - величина инвариантная, т.е. не зависит от системы отсчета, а потому не зависит от того, движется заряд или он покоится.

два рода (типа) эл.зарядов : заряды положительные и заряды отрицательные.

Экспериментально установили, что одноименные заряды отталкиваются, а разноименные притягиваются.

Электрически нейтральное тело должно иметь равное количество положительных и отрицательных зарядов, но и их распределение по объему тела должно быть равномерным.

Закон сохранения эл. заряда : алгебраическая сумма элек. зарядов любой замкнутой системы (системы не обменивающейся зарядами с внешними тепами) остается неизменной, какие бы процессы не происходили внутри этой системы.

Элек. заряды самопроизвольно не создаются и не возникают, они лишь могут разделяться и передаваться от одного тела к другому.

Существует наименьший заряд, его назвали элементарным зарядом - это заряд, который имеет электрон и заряд на теле кратен этому элементарному заряду: е=1,6*10 -19 Кл . Отрицательный элементарный заряд связан с электроном, а положительный- с позитроном, у которого заряд и масса количественно совпадают с зарядом и массой электрона. Однако из-за того, что время жизни позитрона мало, на телах они отсутствуют и поэтому положительную или отрицательную заряженность тел объясняют или недостатком или избытком электронов на телах.

Закон Кулона: силы взаимодействия двух точечных зарядов, находящихся в однородной и изотропной среде, прямо пропорциональны произведению этих зарядов и обратно пропорциональны квадрату расстояния между ними, равны между собой и направлены по прямой, проходящей через эти заряды. г- расстояние между зарядами q 1 и q 2 , k-коэффициент пропорциональности, зависящий от выбора системы физических единиц.

м/Ф, а =8,85*10 -12 Ф/м - диэлектрическая постоянная

Под точечным зарядом следует понимать заряды, сосредоточенные на телах, линейные размеры которых малы по сравнению с расстояниями между ними.

При этом заряд измеряется в кулонах - количество электричества, протекающее через поперечное сечение проводника в одну секунду при токе в 1 ампер.

Сила F направлена вдоль прямой, соединяющей заряды, т.е. является центральной силой и соответствующей притяжению (F<0) в случае разноименных зарядов и отталкиванию (F>0) в случае одноименных зарядов. Эту силу называют кулоновская сила.

Позднейшие исследования Фарадея показали, что электрическое взаимодействие между заряженными телами зависят от свойств среды, в которой происходят эти взаимодействия.

В соответствии с теорией близкодействия, взаимодействия между заряженными телами, которые удалены друг от друга, осуществляется посредством полей (электромагнитных), создаваемых этими телами в окружающем их пространстве. Если поля создаются неподвижными частицами (телами), то поле является электростатическим. Если поле не изменяется во времени, то его называют стационарным. Электростатическое поле является стационарным. Это поле -- частный случай электромагнитного поля. Силовой характеристикой электрического поля служит вектор напряженности, который можно определить как:

где $\overrightarrow{F}$- сила, действующая со стороны поля на неподвижный заряд q, который называют иногда «пробным». При этом необходимо, чтобы «пробный» заряд был мал, чтобы не искажал поле, напряженность которого с его помощью измеряют. Из уравнения (1) видно, что напряженность совпадает по направлению с силой, с которой поле действует на единичный положительный «пробный заряд».

Напряженность электростатического поля не зависит от времени. Если напряженность во всех точках поля одинакова, то поле называют однородным. В противном случае поле неоднородно.

Силовые линии

Для графического изображения электростатических полей используют понятие силовых линий.

Определение

Силовыми линиями или линиями напряженности поля, называются линии, касательные к которым в каждой точке поля совпадают с направлениями векторов напряженности в этих точках.

Силовые линии электростатического поля являются разомкнутыми. Они начинаются на положительных зарядах и заканчиваются на отрицательных. Иногда они могут уходить в бесконечность или приходить из бесконечности. Силовые линии поля не пересекаются.

Вектор напряженности электрического поля подчиняется принципу суперпозиции, а именно:

\[\overrightarrow{E}=\sum\limits^n_{i=1}{{\overrightarrow{E}}_i(2)}.\]

Результирующий вектор напряженности поля может быть найден как векторная сумма напряженностей составляющих его «отдельных» полей. Если заряд распределен непрерывно (нет необходимости учитывать дискретность), то суммарная напряженность поля найдется как:

\[\overrightarrow{E}=\int{d\overrightarrow{E}}\ \left(3\right).\]

В уравнении (3) интегрирование проводят по области распределения зарядов. Если заряды распределены по линии ($\tau =\frac{dq\ }{dl}$ -линейная плотность распределения заряда), то интегрирование в (3) проводят по линии. Если заряды распределены по поверхности и поверхностная плотность распределения $\sigma=\frac{dq\ }{dS}$, то интегрируют по поверхности. Интегрирование проводят по объему, если имеют дело с объемным распределением заряда: $\rho =\frac{dq\ }{dV}$, где $\rho $ -- объемная плотность распределения заряда.

Напряженность поля

Напряжённость поля в диэлектрике равна векторной сумме напряженностей полей, которые создают свободные заряды ($\overrightarrow{E_0}$) и связанные заряды ($\overrightarrow{E_p}$):

\[\overrightarrow{E}=\overrightarrow{E_0}+\overrightarrow{E_p}\left(4\right).\]

Очень часто в примерах мы сталкиваемся с тем, что диэлектрик является изотропным. В таком случае, напряжённость поля может быть записана как:

\[\overrightarrow{E}=\frac{\overrightarrow{E_0}}{\varepsilon }\ \left(5\right),\]

где $\varepsilon $- относительная диэлектрическая проницаемость среды в рассматриваемой точке поля. Таким образом, из (5) очевидно, что однородном в изотропном диэлектрике напряженность электрического поля в $\varepsilon $ раз меньше, чем в вакууме.

Напряженность электростатического поля системы точечных зарядов равна:

\[\overrightarrow{E}=\frac{1}{4\pi {\varepsilon }_0}\sum\limits^n_{i=1}{\frac{q_i}{\varepsilon r^3_i}}\overrightarrow{r_i}\ \left(6\right).\]

В системе СГС напряженность поля точечного заряда в вакууме равна:

\[\overrightarrow{E}=\frac{q\overrightarrow{r}}{r^3}\left(7\right).\]

Задание: Заряд равномерно распределен по четверти окружности радиуса R с линейной плотностью $\tau $. Найти напряженность поля в точке (А), которая была бы центром окружности.

Выделим на заряженной части окружности элементарный участок ($dl$), который будет создавать элемент поля в точке А, для него запишем выражение для напряженности (будем использовать систему СГС), в таком случае выражение для $d\overrightarrow{E}$ имеет вид:

Проекция вектора $d\overrightarrow{E}$ на ось OX имеет вид:

\[{dE}_x=dEcos\varphi =\frac{dqcos\varphi }{R^2}\left(1.2\right).\]

Выразим dq через линейную плотность заряда $\tau $:

Используя (1.3) преобразуем (1.2), получим:

\[{dE}_x=\frac{2\pi R\tau dRcos\varphi }{R^2}=\frac{2\pi \tau dRcos\varphi }{R}=\frac{\tau cos\varphi d\varphi }{R}\ \left(1.4\right),\]

где $2\pi dR=d\varphi $.

Найдем полную проекцию $E_x$, интегрированием выражения (1.4) по $d\varphi $, где угол изменяется $0\le \varphi \le 2\pi $.

Займемся проекцией вектора напряженности на ос OY, по аналогии без особых пояснений запишем:

\[{dE}_y=dEsin\varphi =\frac{\tau }{R}sin\varphi d \varphi \ \left(1.6\right).\]

Интегрируем выражение (1.6), угол изменяется $\frac{\pi }{2}\le \varphi \le 0$, получаем:

Найдем модуль вектора напряженности в точке А, используя теорему Пифагора:

Ответ: Напряженность поля в точке (А) равна $E=\frac{\tau }{R}\sqrt{2}.$

Задание: Найдите напряженность электростатического поля равномерно заряженной полусферы, радиус которой равен R. Поверхностная плотность заряда равна $\sigma$.

Выделим на поверхности заряженной сферы элементарный заряд $dq$, который расположен на элементе площади $dS.$ В сферических координатах $dS$ равен:

где $0\le \varphi \le 2\pi ,\ 0\le \theta \le \frac{\pi }{2}.$

Запишем выражение для элементарной напряженности поля точечного заряда в системе СИ:

Проектируем вектор напряженности на ось OX, получим:

\[{dE}_x=\frac{dqcos\theta }{4 \pi \varepsilon_0R^2}\left(2.3\right).\]

Элементарный заряд выразим через поверхностную плотность заряда, получим:

Подставляем (2.4) в (2.3), используем (2.1) интегрируем, получаем:

Легко получить, что $E_Y=0.$

Следовательно, $E=E_x.$

Ответ: Напряженность поля полусферы заряженной по поверхности в ее центре равна $E=\frac{\sigma}{4{\varepsilon }_0}.$

Уже давно установлено, что электрические заряды не оказывают прямого воздействия друг на друга. В пространстве, окружающем все заряженные тела, наблюдается действие электрического поля. Таким образом, взаимодействие происходит между полями, находящимися вокруг зарядов. Каждое поле имеет определенную силу, с которой оно и воздействует на заряд. Эта способность является основной характеристикой для всех .

Определение параметров электрического поля

Исследование электрического поля, расположенного вокруг заряженного объекта, осуществляется с помощью, так называемого пробного заряда. Как правило, это точечный заряд, величина которого очень незначительна и не может каким-то образом, заметно повлиять на основной, исследуемый заряд.

Для более точного определения количественных параметров электрополя, была установлена специальная величина. Данная силовая характеристика получила наименование в виде напряженности электрического поля.

Напряженность поля представляет собой устойчивую физическую величину. Ее значение равно отношению силы поля, воздействующей на положительный пробный заряд, расположенный в конкретной точке пространства, к величине данного пробного заряда.

Вектор напряженности - основная характеристика

Основной характеристикой напряженности служит вектор напряженности электрического поля. Таким образом, данная характеристика является векторной физической величиной. В любой пространственной точке, вектор напряженности направлен в том же направлении, что и сила, оказывающая воздействие на положительный пробный заряд. Неподвижные заряды, которые не изменяются с течением времени, обладают электростатическим электрическим полем.

В том случае, когда исследуется электрополе, созданное сразу несколькими заряженными телами, его общая сила будет состоять из геометрической суммы сил каждого заряженного тела, воздействующих на пробный заряд.

Следовательно, вектор напряженности электрического поля состоит из общей суммы векторов напряженности всех полей, созданными отдельными зарядами в каждой точке.

Силовые линии электрического поля представляют собой его наглядное графическое изображение. Вектор напряженности в каждой точке направлен в сторону касательной, располагающейся в соотношении с силовыми линиями. Количество силовых линий пропорциональны модулю вектора напряженности электрического поля.

Поток вектора напряженности