Раздел Электричество

ОБЩИЕ СВОЙСТВА
МАТЕРИИ – ВЕЩЕСТВА И ПОЛЯ.
Первый шаг при

выбранной концепции построения курса физики – Механика рассматривала физические модели: материальная точка и абсолютно твердое тело, не вникая во внутреннюю структуру.
Следующий шаг в познании свойств материи – Статистическая физика устанавливает из каких частей (атомов и молекул) состоит тело, и как эти части взаимодействуют между собой.

то следующий шаг в познании строения вещества – исследование электромагнитных

взаимодействий. Электричество
Электростатика
Постоянный ток
Электромагнетизм

Порядка 500 лет до нашей эры Фалес Милетский обнаружил, что

потертый шерстью янтарь притягивает легкие пушинки. Его дочь пыталась почистить шерстью янтарное веретено и обнаружила этот эффект.
От слова «электрон», означающий по-гречески «янтарь» и произошел термин «электричество». Термин ввел английский врач Гильберт в XVI веке. Он обнаружил, что еще ряд веществ электризуется.
2) При раскопках древнего Вавилона (4000 лет назад) обнаружены сосуды из глины, содержащие железный и медный стержни. На дне битум – изолирующий материал. Стержни разъедены лимонной или уксусной кислотой, то есть находка напоминает гальванический элемент.
3) Золотое покрытие вавилонских украшений можно объяснить только гальваническим способом их нанесения.

зарядов неподвижных относительно выбранной инерциальной системы отсчета.
Электрический заряд – мера

электрических свойств тел или их составных частей.
Термин ввел Б.Франклин в 1749 г. Он же – «батарея», «конденсатор», «проводник», «заряд», «разряд», «обмотка».

положительные (стекло ↨ кожа),
● отрицательные (янтарь ↨ шерсть).
● Между одноименными

электрическими зарядами
действуют силы отталкивания,
а между разноименными –
силы притяжения.

знаков заряда. Законы не изменились бы, если бы положительные заряды

переименовали в отрицательные и наоборот: законы взаимодействия зарядов симметричны к замене
+ q на – q.

что заряды одного знака отталкиваются, а противоположного – притягиваются. Причина

этого современной теорией не объяснена. Существует мнение, что положительные и отрицательные заряды – это противоположное проявление одного качества.

подтвержден Фарадеем в 1845 г.)
Полный электрический заряд изолированной системы есть

величина постоянная.
Полный электрический заряд – сумма положительных и отрицательных зарядов, составляющих систему.
Под изолированной в электрическом поле системой понимают систему, через границы которой не может пройти никакое вещество, кроме света.

исчезают попарно: сколько родилось (исчезло) положительных зарядов, столько родилось (исчезло)

отрицательных зарядов. Два элементарных заряда противоположных знаков в соответствии с законом сохранения заряда всегда рождаются и исчезают одновременно.
Пример: электрон и позитрон, встречаясь друг с другом, аннигилируют, рождая два или более гамма-фотонов.
e – + e +  2g.

сохранения заряда, так как фотон не имеет заряда; при фотоэффекте

возникают равные по величине положительные и отрицательные заряды, а фотон исчезает.
И наоборот, гамма-фотон, попадая в поле атомного ядра, превращается в пару частиц – электрон и позитрон.
g  e – + e +.

от выбора системы отсчета.
Электрический заряд – величина релятивистки инвариантная,
не зависит

от того движется заряд или покоится.
5) Квантование заряда, электрический заряд дискретен, его величина изменяется скачком.
Опыт Милликена (1910 – 1914 гг.)
q =  ne, где n  целое число. Заряд любого тела составляет целое кратное от элементарного электрического заряда
е = 1,61019 Кл (Кулон).

заряду.
● Наименьшая частица, обладающая отрицательным элементарным электрическим зарядом, – электрон,

me= 9,11·10-31 кг,
● Наименьшая частица, обладающая положительным элементарным электрическим зарядом, – позитрон, mр= 1,67·10-27 кг. Таким же зарядом обладает протон, входящий в состав ядра.
Равенство зарядов электрона и протона справедливо с точностью до одной части на 1020. То есть фантастическая степень точности. Причина неясна.

с дробным зарядом – кварков, имеющих заряды
и

.

В свободном состоянии кварки не обнаружены.

от концентрации свободных зарядов делятся на
● проводники (электрические заряды могут

перемещаться по всему их объему),
● диэлектрики (практически отсутствуют свободные электрические заряды, содержит только связанные заряды, входящие в состав атомов и молекул),
● полупроводники (по электропроводящим свойствам занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками).

(металлы), в которых перенос зарядов (свободных электронов) не сопровождается химическими

превращениями,
2) проводники второго рода (растворы солей, кислот), перенос зарядов (+ и − ионов) в них сопровождается химическими изменениями.

– электрический заряд, проходящий через поперечное сечение проводника при силе

тока 1 А за время 1 с.
q = I·t.

сосредоточен на теле, линейные размеры которого пренебрежимо малы по сравнению

с расстоянием до других заряженных тел.
Точечный заряд, как физическая модель, играет в электростатике ту же роль, что и материальная точка и абсолютно твердое тело в механике, идеальный газ в молекулярной физике, равновесные процессы и состояния в термодинамике.
Закон впервые был открыт в 1772 г. Кавендишем.

с помощью крутильных весов определил:
сила взаимодействия F двух неподвижных точечных

зарядов пропорциональна величине каждого из зарядов q1, q2 и обратно пропорциональна квадрату расстояния r между ними

k – коэффициент пропорциональности,
зависящий от выбранной системы единиц.

которого остались неизвестными, еще в 1770 г. получил «закон Кулона»

с большей точностью.

заряды.
Кулоновская сила является центральной силой.

Поэтому запишем закон Кулона в векторном виде.
1) Для произвольно

выбранного начала отсчета.

из зарядов.

< 4·104 км.

В системе СИ: k = = 9·109

[ м / Ф].
В системе СГС: k = 1.
ε0 = 8,85·10-12 ,[Ф / м] – электрическая постоянная.

вещества.
Электрическое поле – особая форма существования материи, посредством которого взаимодействуют

электрические заряды.
Электростатическое поле - поле, посредством которого осуществляется кулоновское взаимодействие неподвижных электрических зарядов.
Является частным случаем электромагнитного поля.

электростатического поля.
q0 не вызывает заметного перераспределения зарядов на телах, создающих

поле.
Силовая характеристика электростатического поля определяет, с какой силой поле действует на единичный положительный точечный заряд q0. Такой характеристикой является напряженность электростатического поля.

пробный точечный положительный заряд q0, помещенный в эту точку поля.
q

– источник поля.
q0+ – пробный заряд.

на единичный положительный точечный заряд, помещенный в данную точку поля.

действующую на заряд , помещенный в эту точку:
Это другой вид

закона Кулона, который и вводит понятие электрического поля, создающееся зарядами во всем окружающем пространстве, а также представляет закон действия данного поля на любой заряд.

пробный заряд.

пробный заряд q0+ .
Поле создается положительным зарядом – вектор напряженности

электрического поля E направлен от заряда.
Поле создается отрицательным зарядом – вектор напряженности электрического поля E направлен к заряду.

– это напряженность такого поля, которое на точечный заряд 1 Кл

действует с силой 1 Н.

не зависит от присутствия других зарядов.
В соответствии с принципом независимости

действия сил: на пробный заряд, помещенный в некоторую точку, будет действовать сила F со стороны всех зарядов qi, равная векторной сумме сил Fi, действующих на него со стороны каждого из зарядов.

зарядов
в данной точке, равна геометрической сумме
напряженностей полей, создаваемых

в этой
точке каждым из зарядов в отдельности.

закона Кулона и принципа суперпозиции.
Поле электрического диполя

разноименных точечных зарядов, расстояние l между которыми значительно меньше расстояния

до тех точек, в которых определяется поле.
Ось диполя прямая, проходящая через оба заряда.

l – плечо диполя – вектор,
проведенный от отрицательного
заряда к положительному.

Дипольный момент:

точечных зарядов.
Молекула воды Н2О обладает дипольным моментом р =

6,31030 Клм.
Вектор дипольного момента направлен от центра иона кислорода О2 к середине прямой, соединяющей центры ионов водорода Н+.

поля положительного заряда.
E2 – напряженность поля отрицательного заряда.


В проекциях на

ось x: E = E1 – E2

быстрее в зависимости от расстояния по сравнению с полем точечного

заряда.

его середине

его середине
Уравнения (3),(4), (6)→(5):

r от середины диполя О.
Из точки М опускаем перпендикуляр

на прямую NC, получаем точку К,
в которую помещаем два точечных
заряда + q и – q. Эти заряды
нейтрализуют друг друга и не
искажают поле диполя.
Имеем 4 заряда, расположенных
в точках M, N, K, которые можно
рассматривать как два диполя: NK и MK.

r от середины диполя О.
l

φ →
• Электрический момент диполя NK:


• Электрический момент диполя MK:

диполя МК точка С лежит на перпендикуляре

оси диполя, то получим


б) если , то есть точка

лежит на перпендикуляре к оси диполя, то получим

его носителей в макроскопических телах столь велико, что можно ввести

понятие плотности заряда, использовав представление о непрерывном «размазанном» распределении заряда в пространстве.

плотность заряда:
заряд, приходящийся на единицу площади.
Объемная
плотность заряда:
заряд, приходящийся

на единицу объема.