Шпаргалка

Шпоры по физике. Электрические заряды. Электризация по средствам влияния. Закон Кулона

Категория:

Шпаргалка

Дисциплина:

Физика

Город:

Беларусь, Минск

Учебное заведение:

БНТУ, ФИТР

Тег:

#ЛР_ФИЗИКА

Стоимость работы:

6 руб.

Оценка: 10
Объем страниц: 42
Год сдачи: 2020
Дата публикации: 09.06.2021

Фрагменты для ознакомления

СОДЕРЖАНИЕ

1.    Электрические заряды. Электризация по средствам влияния. Закон Кулона. 2

2.    Электрическое поле. Напряжённость электрического поля. Принцип суперпозиции полей. 3

3.    Энергия связи нескольких зарядов. Потенциал поля точечного заряда. 5

4.    Работа в электрическом поле. Разность потенциалов. Разность потенциалов и напряжённость поля. 6

6.    Теорема Остроградского-Гаусса. 8

7.    Применение теоремы Остроградского-Гаусса к расчёту некоторых электрических полей в вакууме. 9

8.    Проводники в электрическом поле. 11

9.    Электрическое поле в диэлектриках. Свободные или связанные заряды. 12

10.      Поляризация диэлектриков. 13

11.      Емкость плоского конденсатора. Диэлектрическая проницаемость. 14

12.      Сегнетоэлектрики. 15

13.      Поверхностная плотность зарядов. Напряжённость поля внутри диэлектрика. 16

14.      Энергия заряженного конденсатора. 17

15.      Энергия электрического поля. 18

16.      Пьезоэлектрический эффект. Обратный пьезоэлектрический эффект. 19

17.      Постоянный электрический ток. Электрическое поле проводника с током. Закон Ома в интегральной и дифференциальной форме. 20

18.      Электролитическая ванна. 22

19.      Причина электрического сопротивления. Сверхпроводимость. 23

20.      Природа электрического тока в металлах и полупроводниках. 24

21.      Электрические явления в контактах. Контактная разность потенциалов. 25

22.      Явление Зеебека, эффект Пельтье, Томсона. 26

23.      Дуговой разряд. Тлеющий разряд. Коронный разряд. Искровой разряд. 28

24.      Эмиссионные явления и их применения. 30

25.      Работа выхода электрона из металла. 32

26.      Ионизация газов. Несамостоятельный и самостоятельный газовый разряд. 33

27.      Плазма и её свойства. 35

28.      Магнитное поле. Разница электрического воздействия и магнитного. 36

29.      Действие магнитного поля на движущий заряд. Поле движущегося заряда. 37

42.      Вращение рамки в магнитном поле. Вихревые токи (токи Фуко). 38

45.      Токи при размыкании и замыкании цепи. 40

51.      Электромагниты. Разветвлённый магнитный поток. 42

 

Электрические заряды. Электризация по средствам влияния. Закон Кулона.

Электрический заряд – это физическая величина, характеризующая свойство частиц или тел вступать в электромагнитные силовые взаимодействия. Электрический заряд обычно обозначается буквами q или Q. Совокупность всех известных экспериментальных фактов позволяет сделать следующие выводы: 

- существует два рода электрических зарядов, условно названных положительными и отрицательными; 

- заряды могут передаваться (например, при непосредственном контакте) от одного тела к другому. В отличие от массы тела электрический заряд не является неотъемлемой характеристикой данного тела. Одно и то же тело в разных условиях может иметь разный заряд.

- одноименные заряды отталкиваются, разноименные – притягиваются. В этом также проявляется принципиальное отличие электромагнитных сил от гравитационных. Гравитационные силы всегда являются силами притяжения.

Закон сохранения заряда: Алгебраическая сумма электрических зарядов любой замкнутой системы остаётся неизменным, какие бы процессы не происходили внутри этой системы.

С современной точки зрения, носителями зарядов являются элементарные частицы. Все обычные тела состоят из атомов, в состав которых входят положительно заряженные протоны, отрицательно заряженные электроны и нейтральные частицы – нейтроны. Протоны и нейтроны входят в состав атомных ядер, электроны образуют электронную оболочку атомов. Электрические заряды протона и электрона по модулю в точности одинаковы и равны элементарному заряду e. 

Электрон – элемент электрического заряда; обозначается е=1.6*10-19Кл; .

Протон – положительно заряженная частица; р=1.6*10-9Кл; ; 

Единица электрического заряда кулон (Кл) — электрический заряд, проходящий через попереч­ное сечение проводника при силе тока 1 А за время 1 с.

Все тела в природе способны электризоваться, т. е. приобретать электрический заряд. Электризация тел может осуществляться различными способами: соприкоснове­нием (трением), электростатической индукцией и т. д. Всякий процесс заряжения сводится к разделению зарядов, при котором на одном из тел (или части тела) появляется избыток положительного заряда, а на другом (или другой части тела) — избыток отрицательного заряда. Общее количество зарядов обоих знаков, содержащихся в телах, не изменяется: эти заряды только перераспределяются между телами.

Электростатическая индукция

В зависимости от концентрации свободных зарядов тела делятся на проводники, диэлектрики и полупроводники. Проводники — тела, в которых электрический заряд может перемещаться по всему его объему. Диэлектрики (например, стекло, пластмассы) — тела, в которых практически отсутствуют свободные заряды. Полупроводники (например, германий, кремний) занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. 

Закон взаимодействия неподвижных точечных электрических зарядов установлен в 1785 г. Ш. Кулоном с помощью крутильных весов. Точечным называется заряд, сосредоточенный на теле, линейные раз­меры которого пренебрежимо малы по сравнению с расстоянием до других заряжен­ных тел, с которыми он взаимодействует. Закон Кулона: сила взаимодействия F между двумя неподвижными точечными зарядами, находящимися в вакууме, пропорциональна зарядам Q1 и Q2 и обратно пропорциональна квадрату расстояния r между ними:

Закон Кулона

где k — коэффициент пропорциональности, зависящий от выбора системы единиц. В СИ коэффициент пропорциональности равен

СИ коэффициент

Величина e0 называется электрической постоянной; она относится к числу фундамен­тальных физических постоянных и равна

Электрическая постоянная

 где фарад (Ф) — единица электрической емкости. 

Тогда

Фарад (Ф) — единица электрической емкости

 

Электрическое поле. Напряжённость электрического поля. Принцип суперпозиции полей.

Если в пространство, окружающее электрический заряд, внести другой заряд, то на него будет действовать кулоновская сила; значит, в пространстве, окружающем элект­рические заряды, существует силовое поле. В данном случае говорят об электрическом поле — поле, посредством которого взаимодействуют электрические заряды. Мы будем рассматривать элект­рические поля, которые создаются неподвижными электрическими зарядами и называ­ются электростатическими

Если в поле, создаваемое зарядом Q, поместить пробный заряд Q0, то на него действует сила F, различная в разных точках поля, которая, согласно закону Кулона, пропорци­ональна пробному заряду Q0. Поэтому отношение F/Q0 не зависит от Q0 и характеризу­ет электростатическое поле в той точке, где пробный заряд находится. Эта величина называется напряженностью и является силовой характеристикой электростатичес­кого поля.

Напряженность электростатического поля в данной точке есть физическая величина, определяемая силой, действующей на пробный единичный положительный заряд, помещенный в эту точку поля:

                                                   

Напряженность поля точечного заряда в вакууме

                      

Направление вектора Е совпадает с направлением силы, действующей на положитель­ный заряд. Если поле создается положительным зарядом, то вектор Е направлен вдоль радиуса-вектора от заряда во внешнее пространство (отталкивание пробного положи­тельного заряда); если поле создается отрицательным зарядом, то вектор Е направлен к заряду.

Единица напряженности электростатического по­ля — ньютон на кулон (Н/Кл): 1 Н/Кл — напряженность такого поля, которое на точечный заряд 1 Кл действует с силой в 1 Н; 1 Н/Кл= 1 В/м, где В (вольт) — еди­ница потенциала электростатического поля. Графически электростатическое поле изображают с помощью линий напряженности — линий, касательные к которым в каждой точке совпадают с направлением вектора Е.

(один рисунок на два пункта) 1. Напряженность поля на продолжении оси диполя в точке А. Как видно из рисунка, напряженность поля диполя в точке А направлена по оси диполя и по модулю равна

Обозначив расстояние от точки А до середины оси диполя через r, на основании формулы для вакуума можно записать

Согласно определению диполя, l/2<<r, поэтому

2. Напряженность поля на перпендикуляре, восставленном к оси из его середины, в точке В . Точка В равноудалена от зарядов, поэтому

               

где r' — расстояние от точки В до середины плеча диполя. Из подобия равнобедренных треугольников, опирающихся на плечо диполя и вектор ЕB, получим 

откуда  

Принцип суперпозиции: Результирующая сила F, дейст­вующая со стороны поля на пробный заряд Q0, равна векторной сумме сил Fi, приложенных к нему со стороны каждого из зарядов Qi:

 = Q0E и F= Q0Еi, где Е—напряженность результирующего поля, а Еi — напряженность поля, создаваемого зарядом Qi. Подставляя последние выраже­ния в формулу, получаем

Эта формула выражает принцип суперпозиции (наложения) электростатических полей, согласно которому напряженность Е результирующего поля, создаваемого системой зарядов, равна геометрической сумме напряженностей полей, создаваемых в данной точке каждым из зарядов в отдельности. Принцип суперпозиции позволяет рассчитать электростатические поля любой си­стемы неподвижных зарядов, поскольку если заряды не точечные, то их можно всегда свести к совокупности точечных зарядов.

 

Энергия связи нескольких зарядов. Потенциал поля точечного заряда

Энергия связи нескольких зарядов:

Энергия связи нескольких зарядов

 

Тело, находящееся в потенциальном поле сил (а электростатическое поле является потенциальным), обладает потенциальной энергией, за счет которой силами поля совершается работа. Как известно, работа консервативных сил совершается за счет убыли потенциальной энергии. Поэтому работу (83.1) сил электро­статического поля можно представить как разность потенциальных энергий, которыми обладает точечный заряд Q0 в начальной и конечной точках поля заряда Q:

Работу сил электро­статического поля можно представить как разность потенциальных энергий

Отношение U/Q0 не зависит от Q0 и является поэтому энергетической характеристикой электростатического поля, называемой по­тенциалом:

Энергетическая характеристика электростатического поля

Потенциал j в какой-либо точке электростатического поля есть физическая величина, определяемая потенциальной энергией единичного положительного заряда, помещен­ного в эту точку.

Потенциал

Потенциал поля, создаваемого точечным зарядом Q, равен        

Потенциал – это физическая величина, определяемая работой А по перемещении единичного положительного заряда при удалении его из данной точки в бесконечность. Если перемещать заряд Q0 из произвольной точки за пределы поля, т. е. в бесконеч­ность, где, по условию, потенциал равен нулю, то работа сил электростатического поля A¥=Q0j, откуда

Потенциал – это физическая величина, определяемая работой А по перемещении единичного положительного заряда при удалении его из данной точки в бесконечность

Единица потенциала — вольт (В): 1 В есть потен­циал такой точки поля, в которой заряд в 1 Кл обладает потенциальной энергией 1 Дж (1 В = 1 Дж/Кл). Учитывая размерность вольта, можно показать, что единица напряженности электростатического поля действительно равна 1 В/м: 1 Н/Кл=1 Н×м/(Кл×м)=1 Дж/(Кл×м)=1 В/м.

Найдем взаимосвязь между напряженностью электростатического поля, являющейся его силовой характеристикой, и потенциалом — энергетической характеристикой поля.

Работа по перемещению единичного точечного положительного заряда из одной точки поля в другую вдоль оси х при условии, что точки расположены бесконечно близко друг к другу и x2—x1=dx, равна Exdx. Та же работа равна j1—j2=dj. Приравняв оба выражения, можем записать 

Работа по перемещению единичного точечного положительного заряда

где символ частной производной подчеркивает, что дифференцирование производится только по х. Повторив аналогичные рассуждения для осей у и z, можем найти вектор Е:

Найти вектор Е

где i, j, k — единичные векторы координатных осей х, у, z. Из определения градиента (12.4) и (12.6) следует, чтот. е. напряженность Е поля равна градиенту потенциала со знаком минус. Знак минус определяется тем, что вектор напряженности Е поля направлен в сторону убывания потенциала.

 

Теорема Остроградского-Гаусса

Теорему Гаусса для электростатического поля в вакууме: поток вектора напряженности электростатического поля в вакууме сквозь произ­вольную замкнутую поверхность равен алгебраической сумме заключенных внутри этой поверхности зарядов, деленной на e0. 

Вычисление напряженности поля системы электрических зарядов с помощью принципа суперпозиции электростатических полей можно значительно упростить, используя выведенную немецким ученым К. Гауссом (1777—1855) теорему, определяющую поток вектора напряженности электрического поля сквозь произвольную замкнутую поверх­ность. В соответствии с формулой поток вектора напряженности сквозь сферичес­кую поверхность радиуса r, охватывающую точечный заряд Q, находящийся в ее центре, равен

Теорему Гаусса для электростатического поля в вакууме

Этот результат справедлив для замкнутой поверхности любой формы. Действительно, если окружить сферу произвольной замкнутой поверхностью, то каждая линия напряженности, пронизывающая сферу, пройдет и сквозь эту поверхность. Таким образом, для поверхности любой формы, если она замкнута и заключает в себя точечный заряд Q, поток вектора Е будет равен Q/e0, т. е.

              

Результат для замкнутой поверхности любой формы

Знак потока совпадает со знаком заряда Q. Рассмотрим общий случай произвольной поверхности, окружающей n зарядов. В соответствии с принципом суперпозиции напряженность Е поля, создаваемого всеми зарядами, равна сумме напряженностей Ei полей, создаваемых каждым зарядом в отдельности:  Поэтому 

Напряженность Е поля, создаваемого всеми зарядами, равна сумме напряженностей Ei полей

Каждый из интегралов, стоящий под знаком суммы, равен Qi /e0Следовательно                                    

Каждый из интегралов, стоящий под знаком суммы, равен Qi /e0

 

Применение теоремы Остроградского-Гаусса к расчёту некоторых электрических полей в вакууме

1. Поле равномерно заряженной бесконечной плоскости. Бесконечная плоскость (рис. 126) заряжена с постоянной поверхностной плотностью +s (s=dQ/dS — заряд, приходящийся на единицу поверхности). Линии напряженности перпендикулярны рассматриваемой плоскости и направлены от нее в обе стороны. В качестве замкнутой поверхности мысленно построим цилиндр, основания которого параллельны заряженной плоскости, а ось перпендикулярна ей. Так как образующие цилиндра параллельны линиям напряженности (соsa=0), то поток вектора напряженности сквозь боковую поверхность цилиндра равен нулю, а полный поток сквозь цилиндр равен сумме потоков сквозь его основания (площади оснований равны и для основания Еn совпадает с Е), т. е. равен 2ES. Заряд, заключенный внутри построенной цилиндрической поверхности, равен sS. Согласно теореме Гаусса, 2ES=sS/e0, откуда

Поле равномерно заряженной бесконечной плоскости

 Из формулы вытекает, что Е не зависит от длины цилиндра, т. е. напряженность поля на любых расстояниях одинакова по модулю, иными словами, поле равномерно заряженной плоскости однородно.

2. Поле двух бесконечных параллельных разноименно заряженных плоскостей (рис. 127). Пусть плоскости заряжены равномерно разноименными зарядами с поверхностными плотностями + s и –s. Поле таких плоскостей найдем как суперпозицию полей, создаваемых каждой из плоскостей в отдельности. На рисунке верхние стрелки соответствуют полю от положительно заряженной плоскости, нижние — от отрицательной плоскости. Слева и справа от плоскостей поля вычитаются (линии напряженности направлены навстречу друг другу), поэтому здесь напряженность поля E=0. В области между плоскостями = E+ + E– , поэтому результирующая напряженность

Поле двух бесконечных параллельных разноименно заряженных плоскостей

 Таким образом, результирующая напряженность поля в области между плоскостями описывается данной формулой, а вне объема, ограниченного плоскостями, равна нулю.

Поле двух бесконечных параллельных разноименно заряженных плоскостей

3. Поле равномерно заряженной сферической поверхности. Сферическая поверхность радиуса R с общим зарядом Q заряжена равномерно с поверхностной плотностью +s. Благодаря равномер­ному распределению заряда по поверхности поле, создаваемое им, обладает сферической симметри­ей. Поэтому линии напряженности направлены радиально (рис. 128). Построим мысленно сферу радиуса r, имеющую общий центр с заряженной сферой. Если r>R,то внутрь поверхности попадает весь заряд Q, создающий рассматриваемое поле, и, по теореме Гаусса,  , откуда

Поле равномерно заряженной сферической поверхности

При r>R поле убывает с расстоянием r по такому же закону, как у точечного заряда. График зависимости Е от r приведен на рис. 129. Если r'<R, то замкнутая поверхность не содержит внутри зарядов, поэтому внутри равномерно заряженной сферической поверхности электростатическое поле отсутствует (E=0).

4. Поле объемно заряженного шара. Шар радиуса с общим зарядом Q заряжен равномерно с объемной плотностью r (r =  – заряд, приходящийся на единицу объема). Учитывая соображения

Поле объемно заряженного шара

симметрии, можно показать, что для напряженности поля вне шара получится тот же результат, что и в предыдущем случае. Внутри же шара напряженность поля будет другая. Сфера радиуса r'<R охватывает заряд Q'=4/3. Поэтому, согласно теореме Гаусса, . Учитывая, что , получаем. График зависимости Е от r для рассмотренного случая приведен на рис. 130.

Поле объемно заряженного шара

5. Поле равномерно заряженного бесконечного цилиндра (нити). Бесконечный цилиндр радиуса R (рис. 131) заряжен равномерно с линейной плотностью t (t =  –  заряд, приходящийся на единицу длины). Из соображений симметрии следует, что линии напряженности будут направлены по радиусам круговых сечений цилиндра с одинаковой густотой во все стороны относительно оси цилиндра. В качестве замкнутой поверхности мысленно построим коаксиальный с заряженным цилиндр радиуса r и высотой l. Поток вектора Е сквозь торцы коаксиального цилиндра равен нулю (торцы параллельны линиям напряженности), а сквозь боковую поверхность равен 2prlЕ. По теореме Гаусса, при r>R 2prlЕ = tl/e0, откуда 

 Поле равномерно заряженного бесконечного цилиндра (нити)

Если r<R, то замкнутая поверхность зарядов внутри не содержит, поэтому в этой области E=0. 

Поле равномерно заряженного бесконечного цилиндра (нити)

 

Проводники в электрическом поле

Если поместить проводник во внешнее электростатическое поле или его зарядить, то на заряды проводника будет действовать электростатическое поле, в результате чего они начнут перемещаться. Перемещение зарядов (ток) продолжается до тех пор, пока не установится равновесное распределение зарядов, при котором электростатическое поле внутри проводника обращается в нуль. Это происходит в течение очень короткого времени. В самом деле, если бы поле не было равно нулю, то в проводнике возникло бы упорядоченное движение зарядов без затраты энергии от внешнего источника, что противоречит закону сохранения энергии. Итак, напряженность поля во всех точках внутри проводника равна нулю:

Напряженность поля во всех точках внутри проводника равна нулю

Отсутствие поля внутри проводника означает, что потенциал во всех точках внутри проводника постоянен (j = const), т. е. поверхность проводника в электростатическом поле является эквипотенциальной. Отсюда же следует, что вектор напряженности поля на внешней поверхности проводника направлен по нормали к каждой точке его поверхности. Если бы это было не так, то под действием касательной составляющей Е заряды начали бы по поверхности проводника переме­щаться, что, в свою очередь, противоречило бы равновесному распределению зарядов.

Если проводнику сообщить некоторый заряд Q, то нескомпенсированные заряды располагаются только на поверхности проводника. Это следует непосредственно из теоремы Гаусса, согласно которой заряд Q, находящийся внутри проводника в некотором объеме, ограниченном произвольной замкнутой поверхностью, равен

Теорема Гаусса

так как во всех точках внутри поверхности D=0.

Если во внешнее электростатическое поле внести нейтральный проводник, то свободные заряды (электроны, ионы) будут перемещаться: положительные — по полю, отрицательные — против поля. На одном конце проводника будет скап­ливаться избыток положительного заряда, на другом — избыток отрицательного. Эти заряды называются индуцированными. Процесс будет происходить до тех пор, пока напряженность поля внутри проводника не станет равной нулю, а линии напряжен­ности вне проводника — перпендикулярными его поверхности. Таким образом, нейтральный проводник, внесенный в электростатическое поле, разрывает часть линий напряженности; они заканчиваются на отрицательных индуцированных зарядах и вновь начинаются на положительных. Индуцированные заряды распределяются на внешней поверхности проводника. Явление перераспределения поверхностных зарядов на проводнике во внешнем электростатическом поле называется электростати­ческой индукцией.

 

Электрическое поле в диэлектриках. Свободные или связанные заряды.

Диэлектрики – это тела, состоящие из нейтральных молекул. Диэлектрик, внесенный в электрическое поле, так же как и проводник, электризуется через влияние. Однако между электризацией проводника и диэлектрика имеется существенная разница. Если в проводнике под влиянием сил электрического поля свободные электроны передвигаются по всему объему проводника, то в диэлектрике свободного перемещения электрических зарядов произойти не может. Но в пределах одной молекулы диэлектрика возникает смещение положительного заряда вдоль направления электрического поля и отрицательного заряда в обратном направлении. В результате влияния заряженного тела на поверхности диэлектрика возникнут электрические заряды. Это явление называется поляризацией диэлектрика. Различают диэлектрики двух классов. У диэлектриков первого класса молекула в нейтральном состоянии имеет положительный и отрицательный заряды, настолько близко расположенные один к другому, что действие их взаимно компенсируется. Под влиянием электрического поля положительные и отрицательные заряды в пределах молекулы несколько смещаются один относительно другого, образуя диполь. У диэлектриков второго класса молекулы и в отсутствие электрического поля образуют диполи. Такие диэлектрики называются полярными. К ним относятся вода, аммиак, эфир, ацетон и т. д. У таких диэлектриков при отсутствии электрического поля диполи в пространстве расположены хаотически и вследствие этого результирующее электрическое поле вокруг полярного диэлектрика равно нулю. Под действием внешнего электрического поля молекулы (а стало быть и диполи) стремятся повернуться так, чтобы их оси совпали с направлением внешнего поля.

В отличие от индуцированных зарядов на проводнике поляризационные заряды диэлектрика нельзя отделить один от другого. С устранением электрического поля поляризация диэлектрика исчезает. Таким образом, поляризация представляет собой упругое смещение электрических зарядов в веществе диэлектрика. При некоторой определенной величине напряженности электрического поля смещение зарядов достигает предельной величины, после чего происходит разрушение — пробой диэлектрика, в результате которого диэлектрик теряет свои изолирующие свойства и становится токопроводящим. Необходимость правильного выбора величины напряженности электрического поля в диэлектрике привела к созданию теории электрической прочности, имеющей важное значение для современной техники высоких напряжений.

При рассмотрении электростатического поля, в случае наличия в нем диэлектриков, нужно различать два рода электрических зарядов: свободные и связанные. Под свободными зарядами мы будем понимать, во-первых, все электрические заряды, которые под влиянием электрического поля могут перемещаться на макроскопические расстояния (электроны в металлах и вакууме, ионы в газах и электролитах и т. п.), и, во-вторых, заряды, нанесенные извне на поверхность диэлектриков и нарушающие их нейтральность ). Заряды же, входящие в состав нейтральных молекул диэлектриков, равно как и ионы, закрепленные в твердых диэлектриках вблизи определенных положений равновесия, мы будем называть зарядами связанными.

368