Электрические_заряды_закон_кулона_электрическое_поле

Электрические_заряды_закон_кулона_электрическое_поле

22.Закон Кулона, напряженность электрического поля, закон суперпозиции

В природе существуют только два вида зарядов – положительные и отрицательные. Заряды одного знака отталкиваются, заряды разных знаков (разноимённые заряды) притягиваются. Элементарный отрицательный заряд равен по величине элементарному положительному заряду. В системе СИ заряд измеряется в кулонах (Кл). Величина элементарного заряда e =1,6∙Кл.

В 1785 г. Шарль Кулон (1736-1806) экспериментально установил закон взаимодействия двух точечных зарядов, т.е. таких заряженных тел, размерами которых в данной задаче можно пренебречь. Этот закон гласит: сила взаимодействия двух точечных зарядов прямо пропорциональна произведению этих зарядов, обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними и направлена по линии, соединяющей эти заряды. Для вакуума этот закон имеет вид : , (1.2), гдеКл²/Н·м² (Ф/м) – электрическая постоянная. В диэлектрике сила взаимодействия двух точечных зарядов:(1.3), где— диэлектрическая проницаемость диэлектрика. Она показывает во сколько раз сила кулоновского взаимодействия в диэлектрике меньше, чем в вакууме. Взаимодействие между зарядами на расстоянии осуществляется через электрическое поле.

Электрическое поле – это одна из форм материи. Оно обладает свойством действовать на внесённые в него заряды с некоторой силой. Электрическое поле является составной частью электромагнитного поля. Поле, окружающее неподвижные заряды, называется электростатическим.

Представление об электрическом поле было введено в науку в 30-х годах ХIХ века Майклом Фарадеем (1791-1867). Согласно Фарадею, каждый электрический заряд окружён созданным им электрическим полем. Будем помещать в точку М поля заряда q различные пробные заряды (рис. 1.2).

На каждый из них электрическое поле действует с различными силами.

Но если величину каждой силы разделить на соответствующее ей значение пробного заряда, то получим одно и то же значение, характерное для точки М этого поля. То есть эта величина может служить силовой характеристикой электрического поля в точке М. Она называется напряжённостью электрического поля: E = F/qпр. (1.4)

Напряжённость электрического поля – векторная величина. Напряжённость не зависит от наличия или отсутствия в данном поле пробных зарядов. Она зависит от свойств самого поля, которое определяется зарядом – источником, расстоянием от него до точки поля, в которой измеряется напряжённость, и средой, в которой создано поле. В системе СИ напряжённость электрического поля измеряется в вольтах на метр (В/м).

Пусть имеется положительный точечный заряд – источник поля Q. Поместим в некоторую точку поля M этого заряда положительный пробный заряд qпр. На этот заряд будет действовать сила: . (1.5)

Тогда напряжённость поля, создаваемого точечным зарядом Q в точке M, (1.6)

Если заряд Q окружает среда с диэлектрической проницаемостью ε, то напряжённость создаваемого им поля :(1.7)

Электрическое поле, напряжённость которого в каждой точке одинакова по величине и направлению, называется однородным. Силовыми линиями однородного поля являются параллельные прямые, расположенные на одинаковом расстоянии друг от друга. Электрическое поле точечного заряда неоднородно.

Если на электрический заряд q одновременно действуют электрические поля нескольких зарядов, то результирующая сила равна геометрической сумме сил, действующих со стороны каждого поля в отдельности. Это называется принципом суперпозиции: если в данной точке пространства различные заряды создают электрические поля с напряжённостями Е1, Е2 и т.д., то вектор напряжённости электрического поля в этой точке равен сумме векторов напряжённости всех электрических полей : Е = Е1 + Е2 + . +Еn (1.8)

Читайте также:  Облицовочный_кирпич_для_внутренней_отделки_в_интерьере

1.Электрические заряды и электрическое поле. Закон кулона

Из школьного курса физики известны такие электрические явления, как электризация при трении тел, проявление атмосферного электричества — молния. Эти явления обязаны существованию двух видов электрических зарядов, условно названных (+) и (-). Электрический заряд является неотъемлемым свойством так называемых заряженных частиц. Электрический заряд дискретен. Элементарный заряд для различных веществ одинаков по абсолютной величине и обозначается "е". В настоящее время известно десятки элементарных частиц, которые изучаются в курсах ядерной физики. Электрон имеет отрицательный элементарный заряд е — , протон – е + , заряд нейтрона равен нулю. Заряда равного какой-то части «е» не существует, т.е. пока физиками не обнаружен. Кварки.

Обычно заряды разных знаков присутствуют в веществе в равных количествах и распределяются с одинаковой плотностью. Поскольку за­ряд тела q образуется совокупностью элементарных зарядов, то он являет­ся целым кратным е ± , т.е. q=±Ne.

Электрические заряды могут исчезать и возникать вновь, однако, два элементарных заряда противоположных знаков всегда возникают и исчезают одновременно. Поэтому суммарный заряд электрически изолиро­ванной системы не может изменяться, т.е.

-алгебраическая сумма электрических зарядов в замкнутой изолированной системе остается постоянной, Это утверждение носит название закона сохранения электрического заряда (1843 год, М. Фарадей).

Электрический заряд – величина релятивистски инвариантная, т.е. не зависит от системы отсчета, а значит, не зависит от того, движется этот заряд или покоится.

Если электрические заряды могут свободно перемещаться между различными частями тела, то соответствующие тела называются проводниками электричества. Тела, в которых электрические заряды не могут свободно перемещаться между различными частями тела, называются изоляторами или диэ­лектрикам. Диэлектрики проводят электрический ток хуже проводников в 10 15 раз. Существуют вещества с промежуточной между проводниками и диэлектриками проводимостью, которые называются полупроводниками.

Экспериментальное определение величины ,,е" было впервые осу­ществлено в 1909г. Милликеном.

Опыт показывает, что одноименные электрические заряды отталки­ваются друг от друга, разноименные заряды притягиваются друг к другу, а при соединении в равных количествах нейтрализуются.

Изучение электрических явлений мы начнем с наиболее простого случая, когда электрические заряды статические, а электрические поля не меняются со временем. Взаимные перемещения зарядов нам иногда придется учитывать, но мы будем считать их бесконечно медленными, т.е. настолько медленными, что силы взаимодействия можно предполагать практически не зависящими от скорости движения зарядов.

Закон взаимодействия электрических зарядов был установлен в 1875 Кулоном.

Сила взаимодействия двух точечных зарядов направлена вдоль линии, сое­диняющей оба заряда, пропорциональна величине каждого из зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между зарядами

(1)

В векторной форме закон Кулона записывается в следующей форме:

где

Эта формула выражает не только величину силы, но и её направление, -вектор, проведенный из одного заряда в другой, имеет направление ктому из зарядов, к которому приложена сила `F (если заряды одноименны).

(1`)

т.е. взаимодействие электрических зарядов удовлетворяет третьему закону Ньютона.

Коэффициент k зависит от выбора системы единиц. В СИ ,.где — электрическая постоянная в вакууме,-множитель рационализации. = 8,86 ·10 -12 Кл 2 /Н·м 2 ); k= 9·10 9 Н·м 2 /Кл 2 .

Читайте также:  Как_почистить_пальто_из_замши

В системе СИ закон Кулона выглядит следующим образом

(1«)

e -безразмерная величина, характеризующая электрические свойства среды и называющаяся отно­сительной диэлектрической проницаемостью среды,

В системе СИ для измерения электрических величин вводится основная электрическая единица тока — ампер (А). Единицей заряда в СИ является кулон (К) — количество электричества, протекающее за I с через поперечное сечение проводника при токе в цепи, равном I А: 1Кл = 1А·с

Формулы (1) остаются справедливыми и в случае разноименных зарядов. Произведение зарядов в этом случае отрицательно, и обе силы меняют своё направление — отталкивание заменяется притяжением.

Принцип суперпозиции. Если зарядов имеется не два, а больше, то на каждый заряд будут действовать другие заряды с силой типа (1) с резуль­тирующей силой . Опыт показывает, что силы, возникающие в результате электрического взаимодействия, складываются по тем же законам, как и силы в механике, т.е. вектор`F равен геометрической сумме сил `Fi, созда­ваемых электрическими полями каждого заряда и определяемых по закону Кулона:

Если заряды взаимодействуют не в вакууме, а в однородной непроводящей среде, то сила взаимодействия между зарядами уменьшается.

— диэлектрическая проницаемость среды.

Произведение ee=eа – абсолютная диэлектрическая проницаемость среды.

Пользуясь формулой (1) можно вычислить силу взаимодействия между зарядами, сосредоточенными на телах конечных размеров. Для это­го заряженное тело разбивают на бесконечно малые части и, рассматривая их как точечные заряды dq, вычисляют силу взаимодействия создаваемую отдельными зарядами, а затем производят векторное сложение этих сил.

Удаленные друг от друга точечные заряды взаимодействуют по за­кону Кулона. Возникает вопрос: каким образом осуществляется это вза­имодействие, т.е. какой материальный носитель взаимодействия? Этим но­сителем является связанное с зарядами электрическое поле. Силовые вза­имодействия между разобщенными телами могут передаваться только при наличии какой-либо среды, окружающей эти тела, последовательно от од­ной части этой среды к другой, и с конечной скоростью (теория близкодей­ствия); даже при наличии одного — единственного заряда в окружающем пространстве происходят определённые изменения. Т.о. между зарядами существует электрическое поле, которое и осуществляет их взаимодей­ствие. Если в каком -либо месте появляется электрический заряд, то вокруг этого заряда возникает электрическое поле. Основное свойство электрического поля заключается в том, что на всякий другой заряд (пробный) помещённый в это поле, действует сила.

Для количественной характеристики электрического поля служит специальная физическая величина — напряжённость электрического поля. Согласно зако­ну Кулона, сила, действующая на пробный заряд q‘, при внесении его в по­ле других зарядов, пропорциональна величине этого пробного заряда q’. Поэтому силы элeктрического поля будут вполне определены, если определена в каж­дой точке этого поля сила, действующая на помещенный в ней единичный положительный заряд. Эта сила, действующая на заряд q’=1, называется напряжённостью или силой электрического поля и обозначается `E.

Как следует из закона Кулона, напряжённость поля точечного заря­да q на расстоянии r от этого заряда равна:

; ;

;

— не зависит от величины пробного заряда, единица измерения в СИ — Н/Кл.

Напряжённость поля точечного заряда убывает обратно пропорционально квадрату расстояния от заряда.

Направление вектора `E определяется направлением силы `F, дей­ствующей на положительный заряд, помещённый в рассматриваемую точку поля, рис. 1.

Читайте также:  Чертеж_козырька_над_воротами

Из сказанного следует, что если известна напряженность поля в ка­кой-либо точке, то тем самым определена и сила, действующая на электрический за­ряд, помещённый в эту точку, а именно:

Если электрическое поле создается не одним, а несколькими точечными зарядами q1, q2, q3,…qn, то в этом случае результирующая напряженность суммар­ного силового поля равна

т. е. вектор напряженности электрического поля системы зарядов равен геометрической сумме напряженностей полей, создаваемых в данной точке каждым из заря­дов в отдельности ( принцип суперпозиции электрических полей). Принцип суперпозиции выполняется лишь тогда, когда электрические поля не меняют свойств среды, т.е. пока внешние поля значительно меньше электрических полей, существующих внутри атомов и молекул.

Возможны случаи, когда электрическое поле создастся не точечным зарядом, а заряженным телом объема V. В этом случае необходимо знать распределение зарядов внутри тела.

Выделим внутри заряженного тела малый объём и обозначим через величину электрического заряда, находящегося в этом объёме.

Предел отношения , когда величина объёма неограниченно уменьшается, называется объёмной плотностью электрических зарядов в данной точке. Обозначим её r.

lim=r

Т.о. объёмная плотность заряда измеряется зарядом единицы объёма тела. В общем случае неравномерно заряженного тела r различно в разных точках. Распределение заряда в объёме известно, если известно r как функция координат.

Очень часто заряды распределяются в телах только внутри тонкого поверхностного слоя. В этом случае удобно пользоваться поверхностной плотностью заряда s, которая определяется аналогично объёмной плот­ности зарядов

lim=s

Величина заряда, находящегося на элементе поверхности dS, равна sdS. Для задания распределения зарядов на поверхности тела нужно знать s как функцию координат поверхности.

В случае линейного заряженного тела

lim=l— линейная плотность заряда.

Во всех этих трёх случая, если известно распределение зарядов тела, то можно вычислить и электрическое поле, создаваемое этим телом. Для этого заряженное тело разбивают мысленно на бесконечно малые части и, рассматривая их как точечные заряды, вычисляют напряженность поля, создаваемую отдельными частями тела. Полное поле находят затем сум­мированием (интегрированием) полей, вызываемых отдельными частями тела, например:

Электрические заряды закон кулона электрическое поле

§2. Электрическое поле. Закон Кулона.

Электрические заряды взаимодействуют между собой так, что разноименно заряженные тела притягиваются друг к другу, одноименно заряженные отталкиваются. Каждый заряд создает в окружающем его пространстве электрическое поле так, что взаимодействие заряженных тел происходит при посредстве электрического поля.
Электрическим полем называется материальная среда, в котором обнаруживается силовое действие на заряженные частицы или тела. Условно электрическое поле изображают в виде электрических силовых линий, направление которых совпадает с направлением сил, действующих в нем.
В зависимости от интенсивности поля силовые линии электрического поля изображают гуще или реже. Среду принято характеризовать особой величиной, называемой диэлектрической проницаемостью.
Абсолютная диэлектрическая проницаемость среды

ԑ а =ԑ о ·ε r ,
где ԑ о – электрическая постоянная, равной диэлектрической проницаемости вакуума (8,86 х 10-12 Ф/м);
ε r – относительная диэлектрическая проницаемость – величина, показывающая, во сколько раз в данной среде электрические заряды взаимодействуют между собой слабее, чем в вакууме, и часто называется просто диэлектрической проницаемостью
значение диэлектрической проницаемости некоторых материалов приведены в таблице.

Ссылка на основную публикацию
Электрическая_проводка_на_даче
Как провести электропроводку на даче — пошаговое руководство Определение способа прокладки кабеля Для начала нужно определится с тем, как вы...
Штраф_за_сломанный_электросчетчик
Как избежать штрафа за разбитый электросчетчик? В пп. «г» п. 35 Правил предоставления коммунальных услуг собственникам и пользователям помещений в...
Штрудель_с_тыквой_и_творогом
Штрудель с тыквой и творогом Штрудель с тыквой рецепт с фото мука – 300 г масло сливочное – 100 г...
Электрическая_схема_разводки_частного_дома
Как сделать схему электропроводки дома Каждый хозяин частной недвижимости, будь то дом, квартира или дача обязательно столкнется с необходимостью полной...
Adblock detector