ПОСТОЯННОЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ

1. Электрический заряд – это физическая величина, характеризующая свойство частиц или тел вступать в электромагнитные силовые взаимодействия.

Электрический заряд обычно обозначается буквами q или Q. Электрические заряды выражают в кулонах (Кл). Единица заряда названа по имени французского ученого Шарля Кулона, который в 1785 г. открыл закон взаимодействия зарядов

Существует два рода электрических зарядов, условно названных положительными и отрицательными.

Различают два вида электрических зарядов: положительные и отрицательные. Носителями положительных зарядов являются протоны — частицы, входящие в состав атомных ядер, а носителями отрицательных зарядов — электроны, частицы, образующие оболочки атомов. По модулю заряд протона равен заряду электрона. Такой заряд называют элементарным. Величина элементарного заряда .

В обычном состоянии атом электрически нейтрален, так как число протонов в его ядре равно числу электронов в оболочке. В ряде физических процессов, например в процессе трения, атомы могут терять свои внешние электроны или присоединять лишние. Тогда образуются положительно или отрицательно заряженные ионы. Появление на поверхности тела ионов называют электризацией тела. В этом случае говорят, что телу сообщен макроскопический заряд. Заряд может передаваться от одного тела к другому только порциями, содержащими целое число элементарных зарядов. Таким образом, электрический заряд тела – дискретная величина: . 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. Точечным зарядом называют заряженное тело, размерами которого в условиях данной задачи можно пренебречь.

Одним из фундаментальных законов природы является экспериментально установленный закон сохранения электрического заряда:

В изолированной системе алгебраическая сумма зарядов всех тел остается постоянной:

2. Одноименные заряды отталкиваются, разноименные – притягиваются. В этом также проявляется принципиальное отличие электромагнитных сил от гравитационных.

Взаимодействие заряженных тел описывается основным законом электростатики – законом Кулона:

Сила взаимодействия F между двумя неподвижными точечными зарядами, пропорциональна зарядам q₁ и q₂, и обратно пропорциональна квадрату расстояния r между ними: ,где коэффициент пропорциональности , – электрическая постоянная,
ε – диэлектрическая проницаемость вещества.

Тезаурус (греч. thesaurus - сокровище, клад, запас, множество) - полный систематизированный набор терминов, слов, данных, семантических понятий в какой-либо области знаний с указанием на их практическое применение.

3. Электрическое поле — это разновидность материи, посредством которой осуществляется силовое взаимодействие между электрическими зарядами.

• Электрическое поле порождается электрическими зарядами, находящимися в состоянии покоя (неподвижными электрическими зарядами).

• Наличие электрического поля определяется поведением электрических зарядов.

По современным представлениям, электрические заряды не действуют друг на друга непосредственно. Каждое заряженное тело создает в окружающем пространстве электрическое поле. Это поле оказывает силовое действие на другие заряженные тела. Главное свойство электрического поля – действие на электрические заряды с некоторой силой. Таким образом, взаимодействие заряженных тел осуществляется не непосредственным их воздействием друг на друга, а через электрические поля, окружающие заряженные тела. Электрическое поле, окружающее заряженное тело, можно исследовать с помощью так называемого пробного заряда – небольшого по величине точечного заряда, который не вносит заметного перераспределения исследуемых зарядов.

Электростатическое поле описывается двумя величинами: потенциалом (энергетическая скалярная характеристика поля) и напряженностью (силовая векторная характеристика поля).

4. Напряженностью электрического поля называют физическую величину, равную отношению силы, с которой поле действует на положительный пробный заряд, помещенный в данную точку пространства, к величине этого заряда: .

Напряженность поля выражается в или в .

В соответствии с законом Кулона, напряженность электростатического поля, создаваемого точечным зарядом Q на расстоянии r от него, равна по модулю: .

Направление вектора зависит от знака заряда Q: если Q > 0, то вектор направлен по радиусу от заряда, если Q < 0, то вектор направлен к заряду.

Для наглядного представления электрического поля используют силовые линии. Эти линии проводятся так, чтобы направление вектора в каждой точке совпадало с направлением касательной к силовой линии. При изображении электрического поля с помощью силовых линий, их густота должна быть пропорциональна модулю вектора напряженности поля.

5. Потенциал поля в данной точке пространства равен работе, которую совершают электрические силы при удалении единичного положительного пробного заряда из данной точки в бесконечность: .

Единица измерения потенциала – вольт (В).

На практике под бесконечностью понимают точку пространства, в которой уже можно пренебречь силовым воздействием данного поля.

Потенциал электростатического поля, создаваемого точечным зарядом Q на расстоянии r от него, равен: .

Знак потенциала определяется знаком заряда, создающего поле.

Разность потенциалов Δφ между двумя точками в электрическом поле называют напряжением и обозначают буквой .

Электростатическое поле обладает важным свойством:

Работа сил электростатического поля при перемещении заряда из одной точки поля в другую не зависит от формы траектории, а определяется только положением начальной и конечной точек и величиной заряда.

Силовые поля, обладающие этим свойством, называют потенциальными.

Для наглядного представления электрического поля наряду с силовыми линиями используют эквипотенциальные поверхности. Поверхность, во всех точках которой потенциал электрического поля имеет одинаковые значения, называется эквипотенциальной поверхностью или поверхностью равного потенциала. Силовые линии электрического поля всегда перпендикулярны эквипотенциальным поверхностям.

6. Суперпозиция электрического поля.

Если с помощью пробного заряда исследуется электрическое поле, создаваемое несколькими заряженными телами, то результирующая сила оказывается равной геометрической сумме сил, действующих на пробный заряд со стороны каждого заряженного тела в отдельности.

Следовательно, напряженность электрического поля, создаваемого системой зарядов в данной точке пространства, равна векторной сумме напряженностей электрических полей, создаваемых в той же точке зарядами в отдельности (принцип суперпозиции напряженности): .

Потенциал электрического поля, создаваемого системой зарядов в данной точке пространства, равна алгебраической сумме потенциалов электрических полей, создаваемых в той же точке зарядами в отдельности (принцип суперпозиции потенциала): .

7. Примеры электростатических полей.

Электрическое поле неподвижных и не меняющихся со временем зарядов называется электростатическим.

· Электрическое поле, созданное неподвижным точечным зарядом называется кулоновским. В кулоновском поле величины напряженности и потенциала для каждой точки про-странства связаны соотношением: .

· Электрическое поле, напряженность во всех точках которого одинакова, называется однородным. Однородное поле можно создать между двумя параллельными, разноименно заряжен-ными плоскостями. В однородном поле величина напряжения (разности потенциалов) между любыми двумя точками зависит от напряженности и расстояния между этими точками: .

· Электрическим диполемназывается система двух равных по модулю разноименных точечных зарядов (+q, -q), расстояние l между которыми значительно меньше расстояния до рассматриваемых точек поля (l<<r).

Плечо диполя l — вектор, направленный по оси диполя от отрицательного заряда к положительному и равный расстоянию между ними.

Электрический момент диполя (дипольный момент)— вектор, совпадающий по направлению с плечом диполя и равный произведению модуля заряда на плечо: .

Потенциал любой точки поля, созданного диполем пропорционален проекции дипольного момента на прямую, проведенную к данной точке из дипольного момента:

Разность потенциалов между любыми двумя точками поля, созданного диполем, пропорциональна проекции дипольного момента на прямую, соединяющую эти точки:

,
где β – угол, под которым данные точки видны из диполя.

Если электрический диполь поместить в центр равностороннего треугольника, то напряжения (разности потенциалов) между вершинами этого треугольника будут относиться как проекции дипольного момента на его стороны:

Это свойство поля, созданного диполем лежит в основе электрокардиографии.

8. Электроемкость — скалярная, физическая величина характеризующая способность проводника или системы проводников накапливать электрический заряд и, следовательно, электрическую энергию. Электроемкость измеряется в фарадах (Ф), (названа в честь Майкла Фарадея).

Различают электроемкость уединенного проводника и системы проводников (в частности, конденсаторов).

Уединенным называется проводник, расположенный вдали от других заряженных и незаряженных тел так, что они не оказывают на этот проводник никакого влияния.

Электрической ёмкостью уединенного проводника называется отношение заряда проводника к его потенциалу: .

Электроемкость уединенной сферы радиуса R: .

Электроемкостью двух проводников называют физическую величину, численно равную заряду, который нужно перенести с одного проводника на другой, для того чтобы изменить разность потенциалов между ними на 1 В:

Система, состоящая из двух проводников, разделенных слоем диэлектрика, представляет собой конденсатор — накопитель электрических зарядов. Электроемкость плоского конденсатора вычисляется по формуле: ,

где S — площадь одного из проводников (обкладки), a d – толщина слоя диэлектрика и зазора между проводниками (обкладками).

В электрическую цепь конденсаторы можно подключать последовательно и параллельно, при этом электроемкость системы конденсаторов будет вычисляться, соответственно, по формулам: и