- Главная
- Физика
- Презентация по физике Электростатика. Напряженность и потенциал электростатического поля
Содержание
- 2. Все тела в природе способны электризоваться, т.е. приобретать электрический заряд. Электризация тел может осуществляться различными способами:
- 3. Проводники делятся на две группы: 1) проводники первого рода (металлы) — перенос в них зарядов (свободных
- 4. Сила F направлена по прямой, соединяющей взаимодействующие заряды, т. е. является центральной, и соответствует притяжению (F
- 5. Напряженность электростатического поля в данной точке есть физическая величина, определяемая силой, действующей на пробный единичный положительный
- 6. Графически электростатическое поле изображают с помощью линий напряженности — линий, касательные к которым в каждой точке
- 7. Чтобы с помощью линий напряженности можно было характеризовать не только направление, но и значение напряженности электростатического
- 8. Поток вектора Е является алгебраической величиной: зависит не только от конфигурации поля Е, но и от
- 9. Поэтому работу сил электростатического поля можно представить как разность потенциальных энергий, которыми обладает точечный заряд Q0
- 10. Если поле создается системой n точечных зарядов Q1, Q2, ..., Qn, то работа электростатических сил, совершаемая
- 11. (12) т. е. равна произведению перемещаемого заряда на разность потенциалов в начальной и конечной точках. Разность
- 12. Таким образом, потенциал — физическая величина, определяемая работой по перемещению единичного положительного заряда при удалении его
- 14. Скачать презентацию
Все тела в природе способны электризоваться, т.е. приобретать электрический заряд.
Все тела в природе способны электризоваться, т.е. приобретать электрический заряд.
Из обобщения опытных данных был установлен фундаментальный закон природы, экспериментально подтвержденный в 1843 г. английским физиком М. Фарадеем (1791—1867), — закон сохранения заряда: алгебраическая сумма электрических зарядов любой замкнутой системы (системы, не обменивающейся зарядами с внешними телами) остается неизменной, какие бы процессы ни происходили внутри этой системы.
Электрический заряд — величина релятивистский инвариантная, т. е. не зависит от системы отсчета, а значит, не зависит от того, движется этот заряд или покоится.
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.
Проводники делятся на две группы: 1) проводники первого рода (металлы)
Проводники делятся на две группы: 1) проводники первого рода (металлы)
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:
где k — коэффициент пропорциональности, зависящий от выбора системы единиц.
Сила F направлена по прямой, соединяющей взаимодействующие заряды, т. е.
Сила F направлена по прямой, соединяющей взаимодействующие заряды, т. е.
(1)
где F12 — сила, действующая на заряд Q1 со стороны заряда Q2, r12 — радиус-вектор, соединяющий заряд Q2 с зарядом Q1, r = |r12| (рис. 1 ). На заряд Q2 со стороны заряда Q1 действует сила F21 = –F12.
В СИ коэффициент пропорциональности равен
Тогда закон Кулона запишется в окончательном виде:
(2)
Рисунок 1
Величина ε0 называется электрической постоянной; она относится к числу фундаментальных физических постоянных и равна
(3)
где фарад (Ф) — единица электрической емкости . Тогда
Напряженность электростатического поля в данной точке есть физическая величина, определяемая
Напряженность электростатического поля в данной точке есть физическая величина, определяемая
(4)
Как следует из формул (4) и (1), напряженность поля точечного заряда в вакууме
(5)
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 (рис. 2).
Рисунок 2
Из формулы (4) следует, что 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,
Графически электростатическое поле изображают с помощью линий напряженности — линий,
Линиям напряженности приписывается направление, совпадающее с направлением вектора напряженности. Так как в каждой данной точке пространства вектор напряженности имеет лишь одно направление, то линии напряженности никогда не пересекаются. Для однородного поля (когда вектор напряженности в
Рисунок 3 любой точке постоянен по величине и направлению) линии напряженности параллельны вектору напряженности.
Если поле создается точечным зарядом, то линии напряженности — радиальные прямые, выходящие из заряда, если он положителен (рис. 4, а), и входящие в него, если заряд отрицателен (рис. 4, б).
Вследствие большой наглядности графический
способ представления электростатического поля
широко применяется в электротехнике.
Рисунок 4
Чтобы с помощью линий напряженности можно было характеризовать не только
Чтобы с помощью линий напряженности можно было характеризовать не только
называется потоком вектора напряженности через площадку
dS. Здесь dS = dSn — вектор, модуль которого равен dS, а
направление совпадает с направлением нормали n к площадке.
Выбор направления вектора n (а следовательно, и dS) условен, так как его можно направить в любую сторону. Единица потока вектора напряженности электростатического поля — 1 В⋅м.
Рисунок 5
Для произвольной замкнутой поверхности S поток вектора Е сквозь эту поверхность
(6)
где интеграл берется по замкнутой поверхности S.
Поток вектора Е является алгебраической величиной: зависит не только от
Поток вектора Е является алгебраической величиной: зависит не только от
В истории развития физики имела место борьба двух теорий: дальнодействия и близкодействия. В теории дальнодействия принимается, что электрические явления определяются мгновенным взаимодействием зарядов на любых расстояниях. Согласно теории близкодействия, все электрические явления определяются изменениями полей зарядов, причем эти изменения распространяются в пространстве от точки к точке с конечной скоростью. Применительно к электростатическим полям обе теории дают одинаковые результаты, хорошо согласующиеся с опытом. Переход же к явлениям, обусловленным движением электрических зарядов, приводит к несостоятельности теории дальнодействия, поэтому современной теорией взаимодействия заряженных частиц является теория близкодействия.
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 сил
электростатического поля можно представить как разность потенциальных
Поэтому работу сил
электростатического поля можно представить как разность потенциальных
(7)
Она, как и в механике, определяется неоднозначно, а с точностью до произвольной постоянной С. Если считать, что при удалении заряда в бесконечность (r→∞) потенциальная энергия обращается в нуль (U=0), то С=0 и потенциальная энергия заряда Q0, находящегося в поле заряда Q на расстоянии г от него, равна
(8)
Для одноименных зарядов Q0Q>0 и потенциальная энергия их взаимодействия (отталкивания) положительна, для разноименных зарядов Q0Q<0 и потенциальная энергия их взаимодействия (притяжения) отрицательна.
Если поле создается системой n точечных зарядов Q1, Q2, ...,
Если поле создается системой n точечных зарядов Q1, Q2, ...,
(9)
Из формул (8) и (9) вытекает, что отношение U/Q0 не зависит от Q0 и является поэтому энергетической характеристикой электростатического поля, называемой потенциалом:
(10)
Потенциал ϕ в какой-либо точке электростатического поля есть физическая величина, определяемая потенциальной энергией единичного положительного заряда, помещенного в эту точку.
Из формул (10) и (8) следует, что потенциал поля, создаваемого точечным зарядом Q, равен
(11)
Работа, совершаемая селами электростатического поля при перемещении заряда Q0 из точки 1 в точку 2 (см. (7), (10), (11)), может быть представлена как
(12)
т. е. равна произведению перемещаемого заряда на разность
(12)
т. е. равна произведению перемещаемого заряда на разность
Работа сил поля при перемещении заряда Q0 из точки 1 в точку 2 может быть записана также в виде
(13)
Приравняв (12) и (13), придем к выражению для разности потенциалов:
(14)
где интегрирование можно производить вдоль любой линии, соединяющей начальную и конечную точки, так как работа сил электростатического поля не зависит от траектории перемещения.
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, согласно (84.6), A∞=Q0ϕ, откуда
(84.9)
Таким образом, потенциал — физическая величина, определяемая работой по перемещению
Таким образом, потенциал — физическая величина, определяемая работой по перемещению
Из выражения (10) следует, что 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 введенная единица напряженности электростатического поля действительно равна 1 В/м: 1 Н/Кл=1 Н⋅м/(Кл⋅м)=1 Дж/(Кл⋅м)=1 В/м.
Из формул (9) и (10) вытекает, что если поле создается несколькими зарядами, то потенциал поля системы зарядов равен алгебраической сумме потенциалов полей всех этих зарядов: