Электрическое поле. напряженность электрического поля

Закон кулона

Сила взаимодействия находится для так называемых точечных зарядов.

Точечным зарядом называется заряженное тело, размеры которого пренебрежимо малы по сравнению с расстоянием до других заряженных тел, с которыми оно взаимодействует.

Закон взаимодействия точечных зарядов был открыт Кулоном и формулируется следующим образом: модуль F силы взаи-модействия между двумя неподвижными зарядами q и q0 пропорционален произведению этих зарядов, обратно пропорционален квадрату расстояния r между ними, т.е.

где ε 0 - электрическая постоянная, ε — диэлектрическая проницаемость, характеризующая среду. Эта сила направлена вдоль прямой линии, соединяющей заряды. Электрическая постоянная равна ε 0 = 8, 85⋅ 10–12 Кл2/(Н⋅ м2) или ε 0 = 8, 85⋅ 10–12 Ф/м, где фарад (Ф) единица электроёмкости. Закон Кулона в векторной форме запишется:

проведём радиус-вектор rr от заряда q к q0. Введём единичный вектор, направленный в ту же сторону, что и вектор rr. Он равен rr/r.

Электрическое поле. напряженность электрического поля

Отношение силы Fr, действующей на заряд, к величине q0 этого заряда является постоянным для всех вносимых зарядов, независимо от их величины. Поэтому это отношение принимают за характеристику электрического поля в данной точке. Её называют напряжённостью и обозначают через Er. Тогда:

1 Н/Кл = 1 / 1 Кл, т.е. 1 Н/Кл - напряжённость в такой точке поля, в которой на заряд в 1 Кл действует сила в 1 Н.

Напряжённость поля точечного заряда.

Найдём напряжённость E электростатического поля, создаваемого точечным зарядом q, находящимся в одно-родном изотропном диэлектрике, в точке, отстоящей от него, на расстоянии r. Мысленно поместим в эту точку пробный заряд q₀. Тогда .

Отсюда получаем, что

радиус-вектор, проведённый от заряда q к точке, в которой определя-ется напряжённость поля. Из последней формулы следует, что модуль напряжённости поля:

Таким образом, модуль напряжённости в любой точке электростатического по-ля, создаваемого точечным зарядом в вакууме, пропорционален величине заря-да и обратно пропорционален квадрату расстояния от заряда до точки, в кото-рой определяется напряжённость.

Суперпозиция полей

Если электрическое поле создаётся системой точечных зарядов, то его на-пряжённость равна векторной сумме напряжённостей полей , создаваемых каждым зарядом в отдельности, т.е. .Это соотношение носит название принципа суперпозиции (наложения) полей. Из принципа суперпозиции по-лей следует также, что потенциал ϕ, создаваемый системой точечных зарядов в некоторой точке, равен алгебраической сумме потенциалов , создаваемых в этой же точке каждым зарядом в отдельности, т.е. Знак потенциала совпадает со знаком заряда q_i отдельных зарядов системы.

Линии напряженности

Для наглядного изображения электриче-ского поля пользуются линиями напряжённости или силовыми линиями, т.е. линиями, в каждой точке которых вектор напряжённости электрического поля направлен по касательной к ним. Наиболее просто это можно уяснить на при-мере однородного электростатического поля, т.е. поля, в каждой точке кото-рого напряжённость одинакова по модулю и направлению. В этом случае линии напряжённости проводятся так, чтобы число линий Ф_Е, проходящих через еди-ницу площади плоской площадки S, расположенной перпендикулярно к этим

линиям, равнялось бы модулю E напряжённости этого поля, т.е.

Если поле неоднородное, то надо выбрать элементарную площадку dS, перпендикулярную к линиям напряжённости, в пределах которой на-пряжённость поля можно считать постоянной.

где dФE - число линий напряжённости, пронизывающих эту площадку, т.е. модуль напряжённости электрического поля равен числу линий напряжённости, приходящихся на единицу площади площадки, перпендикулярной к ней.

Теорема гаусса

Теорема: поток напряжённости электростатического поля через любую замкнутую поверхность равен алгебраической сумме зарядов, заключённых внутри неё, делённой на электрическую постоянную и диэлектрическую проницаемость среды.

Если интегрирование производится по всему объёму V, по которому распреде-лён заряд. Тогда при непрерывном распределении заряда на некоторой поверх-ности S₀ теорема Гаусса записывается в виде:

В случае объёмного распределения:

Теорема Гаусса связывает между собой величину заряда и напряжённость поля, которое им создаётся. Этим и определяется значение данной теоремы в электростатике, поскольку она позволяет рассчитывать напряжённость, зная расположение зарядов в пространстве.

Циркуляция электр.поля.

Из выражения

следует также, что при переносе заряда по замкнутому пути, т.е., когда заряд возвращает-ся в исходное положение, r1 = r2 и A12 = 0. Тогда запишем

.

Сила , действующая на заряд q₀, равна . Поэтому последнюю формулу перепишем в виде

ности электростатического поля на направление Разделив обе части это-го равенства на q₀, находим:

Первое равенство – это циркуляция напряжённости электрического поля.

Конденсаторы

Конденсаторы представ-ляют собой два проводника, очень близко расположенные друг к другу и разде-лённые слоем диэлектрика. Электроём-кость конденсатора – способность конденсатора накапливать на себе заряды. т.е. ёмкостью конденсатора называется физическая величина, равная отноше-нию заряда конденсатора к разности потенциалов между его обкладками. Ёмкость конденсатора, как и ёмкость проводника, измеряется в фарадах (Ф): 1 Ф — это ёмкость такого конденсатора, при сообщении которому заряда в 1 Кл, разность потенциалов между его обкладками изменяется на 1 В.

Энергия электр. поля

Энергия заряженных проводников запасена в виде электрического поля. Поэтому целесообразно выразить её через напряжённость, характеризующую это поле. Это проще всего проделать для плоского конденсатора. В этом случае , где d — расстояние между обкладками, и . Здесь ε 0 — электрическая постоянная, ε — диэлектрическая проницаемость диэлектрика, заполняющего конденсатор, S — площадь каждой обкладки. Подставляя эти выражения, получаем Здесь V = Sd — объём, занимаемый полем, равный объёму конденсатора.

Работа и мощность тока.

Работой электрического тока называется работа, которую совершают силы электрического поля, созданного в электрической цепи, при перемещении заряда по этой цепи.

Пусть к концам проводника приложена постоянная раз-ность потенциалов (напряжение) U = ϕ 1− ϕ 2.

A = q(ϕ 1− ϕ 2) = qU.

q = It

С учётом этого получаем

A = IUt

Применяя закон Ома для однородного участка цепи

U = IR, где R - сопротивление проводника, запишем:

A = I²Rt .

Работа A, совершённая за время t, будет равна сумме элементарных работ, т.е.

По определению мощность электрического тока равна P = A/t. Тогда:

P = IU

В системе единиц СИ работа и мощность электрического тока измеряются соответственно в джоулях и ваттах.

Закон Джоуля-Ленца.

Электроны, движущиеся в металле под действием электрического поля, как уже отмечалось, непрерывно сталкиваются с ионами кристаллической решётки, передавая им свою кинетическую энергию упорядоченного движения. Это при-водит к увеличению внутренней энергии металла, т.е. к его нагреванию. Соглас-но закону сохранения энергии, вся работа тока A идёт на выделение количества теплоты Q, т.е. Q = A. Находим Это соотношение называют законом Джоуля − Ленца.

Закон полного тока.

Циркуляция индукции магнитного поля по произвольному замкнутому контуру равна произведению магнитной постоянной, магнитной проницаемости на алгебраическую сумму сил токов, охваты-ваемых этим контуром.

Силу тока можно найти, используя плотность тока j:

где S — площадь поперечного сечения проводника. Тогда закон полного тока записывается в виде:

Магнитный поток.

Магнитным потоком через некоторую поверхность называют число линий магнитной индукции, пронизывающих её.

Пусть в неоднородном магнитном поле находится поверхность площадью S. Для нахождения магнитного потока через неё мысленно разделим поверхность на элементарные участки площадью dS, которые можно считать плоскими, а поле в их пределах однородным. Тогда элементарный магнитный поток dФ_B через эту поверхность равен:

Магнитный поток через всю поверхность равен сумме этих потоков: , т.е.:

. В системе единиц СИ магнитный поток измеряется в веберах (Вб).

Индуктивность.

Пусть по замкнутому контуру течёт постоянный ток силой I. Этот ток создаёт вокруг себя магнитное поле, которое пронизывает площадь, охватываемую проводником, создавая магнитный поток. Известно, что магнитный поток Ф_B пропорционален модулю индукции магнитного поля B, а модуль индукции магнитного поля, возникающего вокруг проводника с током, пропор-ционален силе тока I. Из этого следует Ф_B ~ B ~ I, т.е. Ф_B = LI.

Коэффициент пропорциональности L между силой тока и магнитным потоком, создаваемым этим током через площадь, ограниченную проводником, называют индуктивностью проводника.

В системе единиц СИ индуктивность измеряется в генри (Гн).

Индуктивность соленоида.

Рассмотрим индуктивность соленоида длиною l, с поперечным сечением S и с общим числом витков N, заполненного веществом с магнитной проницаемостью μ. При этом возьмём соленоид такой длины, чтобы его можно было рассматривать как бесконечно длинный. При протека-нии по нему тока силой I внутри него создаётся однородное магнитное поле, направленное перпендикулярно к плоскостям витков. Модуль магнитной индукции этого поля находится по формуле

B = μ 0μ nI,

Магнитный поток Ф_B через любой виток соленоида равен Ф_B = BS (см. (29.2)), а полный Ψ поток через все витки соленоида будет равен сумме магнитных потоков через каждый виток, т.е. Ψ = NФ_B = NBS.

N = nl_, получаем: Ψ ₌ μ 0μ ₌ n²lSI ₌ μ 0μ n²VI

Приходим к выводу, что индуктивность соленоида равна:

L =μ μ 0 n²V

Энергия магнитного поля.

Пусть в электрической цепи протекает постоянный ток силой I. Если отключить источник тока и замкнуть цепь (переключатель П перевести в положение 2), то в ней некоторое время будет течь убывающий ток, обусловленный э.д.с. самоиндукции .

Элементарная работа, совершаемая э.д.с. самоиндукции по переносу по цепи элементарного заряда dq = I·dt, равна Сила тока изменяется от I до 0. Поэтому, интегрируя это выражение в указанных пределах, получаем работу, совершаемую э.д.с. самоиндукции за время, в течение которого происхо-дит исчезновение магнитного поля: . Эта работа расходует-ся на увеличение внутренней энергии проводников, т.е. на их нагревание. Совер-шение этой работы сопровождается также исчезновением магнитного поля, кото-рое первоначально существовало вокруг проводника.

Энергия магнитного поля, существующего вокруг проводников с током, равна

WB = LI²/ 2.

получаем, что

Магнитное поле внутри соленоида однородное . Поэтому объёмная плотность энергии w_B магнитного поля, т.е. энергия единицы объёма поля, внутри соленоида равна .

Вихревое электр. поле.

Из закона Фарадея для электромагнитной индукции следует, что при всяком изменении магнитного потока, пронизывающего пло-щадь, охватываемую проводником, в нём возникает э.д.с. индукции, под действием которой в проводнике появляется индукционный ток, если проводник замкнутый.

Для объяснения э.д.с. индукции Максвелл выдвинул гипотезу, что перемен-ное магнитное поле создаёт в окружающем пространстве электрическое поле. Это поле действует на свободные заряды проводника, приводя их в упорядо-ченное движение, т.е. создавая индукционный ток. Таким образом, замкнутый проводящий контур является своеобразным индикатором, с помощью которого и обнаруживается данное электрическое поле. Обозначим напряжённость этого поля через Er. Тогда э.д.с. индукции

известно, что циркуляция напряжённости электростатического поля равна нулю, т.е.

Следует, что т.е. электрическое поле, возбуждаемое изменяющимся со временем магнитным полем, является вихревым (не потенциальным).

Следует отметить, что линии напряжённости электростатического поля начинаются и заканчиваются на зарядах, создающих поле, а линии напряжённости вихревого электрического поля всегда замкнутые.

Ток смещения

Максвелл высказал гипотезу, что переменное магнитное поле создаёт вихревое электрическое поле. Он сделал и обратное пред-положение: переменное электрическое поле должно вызывать возникновение магнитного поля. В дальнейшем эти обе гипотезы получили экспериментальное подтверждение в опытах Герца. Появление магнитного поля при изменении электрического поля можно трактовать так, как будто бы в пространстве возни-кает электрический ток. Этот ток был назван Максвеллом током смещения.

Ток смещения может возникать не только в вакууме или диэлектрике, но и в проводниках, по которым течёт переменный ток. Однако в этом случае он пренебрежимо мал по сравнению с током проводимости.

Максвелл ввёл понятие полного тока. Сила I полного тока равна сумме сил Iпр и Iсм токов проводимости и смещения, т.е. I = Iпр + Iсм. Получаем:

Уравнение Максвелла.

Первое уравнение.

Из этого уравнения следует, что источником электрического поля является изменяющееся со временем магнитное поле.

Второе уравнение Максвелла.

Второе уравнение. Закон полного тока Это уравнение показывает, что магнитное поле может создаваться как движущимися зарядами (электрическим током), так и переменным электрическим полем.

Колебания.

Колебаниями называются процессы, характеризуемые определённой повто-ряемостью со временем. Процесс распространения колебаний в пространстве называют волной. Любая система, способная колебаться или в которой могут происходить ко-лебания, называется колебательной. Колебания, происходящие в колебательной системе, выведенной из состояния равновесия и представленной самой себе, называют свободными колебаниями.

Гармонические колебания.

Гармоническими колебаниями называются колебания, в которых колеблющаяся физическая величина изменяется по закону Sin или Cos. Амплитуда - это наи-большее значение, которое может принимать колеблющаяся величина. Уравнения гармонических колебаний: и

тоже самое только с синусом. Периодом не-затухающих колебаний называют время одного полного колебания. Число ко-лебаний, совершаемых в единицу времени, называется частотой колебаний. Частота колебаний измеряется в герцах (Гц).

Колебательный контур.

Электрическую цепь, состоящую из индуктивности и ёмкости, называют колебательным контуром

Полная энергия электромагнитных колебаний в контуре есть величина постоянная, точно также как полная энергия механических колебаний.

При колебаниях всегда кинет. энергия переходит в потенциальную и наоборот.

Энергия W колебательного контура складывается из энергии W_E электрического поля конденсатора и энергии W_B магнитного поля индуктивности

Затухающие колебания.

Процессы, описываемые уравнением можно считать колебательными. Их называют затухающими колебаниями. Наименьший промежуток времени T, через который повторяются максимумы (или минимумы) называют периодом зату-хающих колебаний. Выражение рассматривают как амплитуду затухающих колебаний. Величина A0 представляет собой амплитуду колебания в момент времени t = 0, т.е. это начальная ампли-туда затухающих колебаний. Величина β, от которой зависит убывание ампли-туды, называется коэффициентом затухания .

, т.е. коэффициент затухания обратно пропорционален времени, за которое амплитуда затухающих колебаний уменьшается в e раз.

Волны.

Волна - это процесс распространения колебаний (возмущения) в простран-стве.

Область пространст-ва, внутри которой происходят колебания, называется волновым полем.

Поверхность, отделяющую волновое поле от области, где колебаний ещё нет, на-зывают фронтом волны.

Линии, вдоль которых происходит распространение волны, называются лучами.

Звуковые волны.

Звук представляет собой колебания воздуха или другой упру-гой среды, воспринимаемые нашими органами слуха. Звуковые колебания, вос-принимаемые человеческим ухом, имеют частоты, лежащие в пределах от 20 до 20000 Гц. Колебания с частотами меньше 20 Гц называются инфразвуковыми, а больше 20 кГц — ультразвуковыми.

Характеристики звука. Звук у нас ассоциируется обычно с его слуховым вос-приятием, с ощущениями, которые возникают в сознании человека. В связи с этим можно выделить три его основные характеристики: высоту, качество и громкость.

Физической величиной, характеризующей высоту звука, является частота колебаний звуковой волны.

Для характеристики качества звука в музыке используют термины тембр или то-нальная окраска звука. Качество звука можно связать с физически измеримыми величинами. Оно определяется наличием обертонов, их числом и амплитудами.

Громкость звука связана с физически измеряемой величиной — интенсивностью волны. Измеряется в белах.

Законы теплового излучения

Закон Стефана — Больцмана — закон излучения абсолютно чёрного тела. Определяет зависимость мощности излучения абсолютно чёрного тела от его температуры. Формулировка закона:

Закон излучения Кирхгофа

Отношение излучательной способности любого тела к его поглощательной способности одинаково для всех тел при данной температуре для данной частоты и не зависит от их формы и химической природы.

 

Длина волны, при которой энергия излучения абсолютно чёрного тела максимальна, определяется законом смещения Вина: где T — температура в кельвинах, а λ _max — длина волны с максимальной интенсивностью в метрах.

Строение атома.

Опыты Резерфорда и его сотрудников привели к выводу, что в центре атома находится плотное положительно заряженное ядро, диаметр которого не превышает 10^–14–10^–15 м.

Изучая рассеяние альфа-частиц при прохождении через золотую фольгу, Резерфорд пришел к выводу, что весь положительный заряд атомов сосредоточен в их центре в очень массивном и компактном ядре. А отрицательно заряженные частицы (электроны) обращаются вокруг этого ядра. Эта модель коренным образом отличалась от широко распространенной в то время модели атома Томсона, в которой положительный заряд равномерно заполнял весь объем атома, а электроны были вкраплены в него. Несколько позже модель Резерфорда получила название планетарной модели атома (она действительно похожа на Солнечную систему: тяжелое ядро - Солнце, а обращающиеся вокруг него электроны - планеты).

А́ том — наименьшая химически неделимая часть химического элемента, являющаяся носителем его свойств. Атом состоит из атомного ядра и электронов. Ядро атома состоит из положительно заряженных протонов и незаряженных нейтронов. Если число протонов в ядре совпадает с числом электронов, то атом в целом оказывается электрически нейтральным. В противном случае он обладает некоторым положительным или отрицательным зарядом и называется ионом. Атомы классифицируются по количеству протонов и нейтронов в ядре: количество протонов определяет принадлежность атома некоторому химическому элементу, а число нейтронов — изотопуэтого элемента.

Атомы различного вида в разных количествах, связанные межатомными связями, образуют молекулы.

Вопросы:

1. электростатика

2. закон сохранения электрического заряда

3. закон кулона

4. электрическое поле.напряженность электрического поля

5. напряженность поля точечного заряда

6. суперпозиция полей

7. линии напряженности

8. поток-вектор напряженности электр.поля

9. теорема гаусса для электростатич.поля

10. теорема гаусса

11. циркуляция электр.поля

12. потенциал. Разность потенциалов электростатич.поля

13. связь между напряжением поля и потенциалом

14. конденсаторы

15. энергиязаряженного конденсатора

16. энергия электр поля

17. сопротивление проводника. Закон ома для частка цепи

18. закон ома для участка проводника

19. источники электр тока. Электродвижущая сила

20. работа и мощьность тока

21. закон джоуля ленца

22. магнитное поле.индукция магнитного поля

23. закон полного тока

24. магнитный поток

25. теорема гаусса для магнитного поля

26. работа по перемещению проводника с током в магнит поле

27. явление электомагнит индукции

28. индуктивность

29. индуктивность соленоида

30. явление и закон самоиндукции

31. энергия магнитного поля

32. вихревое электр поле

33. ток смещения

34. уравнение максвелла

35. второе уравнение максвелла

36. третье и четвертое уравнение максвлла

37. колебания

38. гармонические колебания

39. колебательный контур

40. затухающие колебания

41. вынужденные колебания. Явление резонанса

42. волны

43. уравнение плоской монохроматич волны

44. звуковые волны

45. волновые и корпускулярные свойства света

46. Тепловое излучение и его характеристики.

47. Законы теплового излучения

48. Строение атома.

 

Закон кулона

Сила взаимодействия находится для так называемых точечных зарядов.

Точечным зарядом называется заряженное тело, размеры которого пренебрежимо малы по сравнению с расстоянием до других заряженных тел, с которыми оно взаимодействует.

Закон взаимодействия точечных зарядов был открыт Кулоном и формулируется следующим образом: модуль F силы взаи-модействия между двумя неподвижными зарядами q и q0 пропорционален произведению этих зарядов, обратно пропорционален квадрату расстояния r между ними, т.е.

где ε 0 - электрическая постоянная, ε — диэлектрическая проницаемость, характеризующая среду. Эта сила направлена вдоль прямой линии, соединяющей заряды. Электрическая постоянная равна ε 0 = 8, 85⋅ 10–12 Кл2/(Н⋅ м2) или ε 0 = 8, 85⋅ 10–12 Ф/м, где фарад (Ф) единица электроёмкости. Закон Кулона в векторной форме запишется:

проведём радиус-вектор rr от заряда q к q0. Введём единичный вектор, направленный в ту же сторону, что и вектор rr. Он равен rr/r.

Электрическое поле. напряженность электрического поля

Отношение силы Fr, действующей на заряд, к величине q0 этого заряда является постоянным для всех вносимых зарядов, независимо от их величины. Поэтому это отношение принимают за характеристику электрического поля в данной точке. Её называют напряжённостью и обозначают через Er. Тогда:

1 Н/Кл = 1 / 1 Кл, т.е. 1 Н/Кл - напряжённость в такой точке поля, в которой на заряд в 1 Кл действует сила в 1 Н.

1234Следующая ⇒

Поделиться: