лекція 7

Тема: Електричне поле.

Мета: дати поняття про електричний заряд. Познайомити із законом збереження електричного заряду. Пояснити фізичне значення закону Кулона й указати межі його застосування. Розкрити матеріальний характер електричного поля. Дати поняття напруженості електричного поля. Навчити пояснювати явища, що відбуваються в провідниках, поміщених у електричне поле. Пояснити фізичне значення поняття «потенціальний характер електростатичного поля». Сформулювати поняття електричної ємності провідника, ввести одиницю електроємності, формулу ємності плоского конденсатора.

ПЛАН

1. Електричний заряд.

2. Електризація тіл.

3. Закон збереження заряду.

4. Точковий заряд.

5. Закон Кулона.

6. Електричне поле.

7. Напруженість електричного поля.

8. Принцип суперпозиції.

9. Робота по замкнутому контуру.

10. Робота з переміщення заряду в електричному полі.

11. Потенціальність електростатичного поля.

12. Енергетична характеристика електричного поля.

13. Різниця потенціалів.

14. Потенціал.

15. Принцип суперпозиції.

16. Зв'язок між напруженістю й різницею потенціалів.

17. Поняття електроємності.

18. Конденсатори.

19. Ємність плоского конденсатора.

20. З'єднання конденсаторів.

21. Енергія зарядженого конденсатора.

22. Енергія електричного поля.

ВИВЧЕННЯ НОВОГО МАТЕРІАЛУ

Розділ електродинаміки, присвячений вивченню електрично заряджених тіл, що перебувають у спокої, називають електростатикою.

1. Електричний заряд.

Атом — це найменша частинка даного хімічного елементу. Електрон і протон — не єдині елементарні частинки. Зараз їх нараховується декілька сот. Еле­ментарними ми вважаємо ті частинки, які з сучасної точки зору не скла­даються з більш простих. Як помітив італійський фізик Енріко Фермі, поняття «елементарний» належить швидше до рівня наших знань, ніж до природи частинок. У міру того як розвивалася наука, багато елемен­тарних частинок переходили в розряд неелементарних.

Деякі елементарні частинки, крім маси, мають і заряд.

Електричний заряд — це міра властивості елементарних части­нок взаємодіяти одна з одною із силами, обернено пропорційними квад­рату відстані між ними, які на багато порядків перевищують силу їхнього взаємного тяжіння.

Так, наприклад, в атомі Гідрогену електрон притягується до ядра із силою, що в 10³⁹ разів перевищує силу їхнього гравітаційного тяжіння.

Важливо підкреслити таке:

• електричний заряд не існує сам по собі. Частинка може й не мати заряду, але носієм заряду може бути тільки частинка;

• заряди елементарних частинок можуть відрізнятися знаками, модуль же зарядів однаковий;

• вибір знака заряду умовний. Однойменні заряди відштовхуються, різнойменні — притягаються;

• елементарні частинки мають найменший можливий електричний за­ряд (1,6 * 10-¹⁹ Кл).

2. Електризація тіл.

У цілому атом електрично нейтральний, оскільки число протонів у ядрі атома дорівнює числу електронів. Якщо елект­рична нейтральність тіла порушена, то воно називається наелектризо­ваним.

Для електризації тіла необхідно, щоб на ньому був створений надли­шок або нестача електричних зарядів того чи іншого знака. Електриза­ція здійснюється різними способами, найпростішим із яких є електри­зація зіткненням.

Демонструючи й пояснюючи явище електризації, слід особливо підкреслити, що під час взаємодії заряди не виникають, а відбувається лише їхній перерозподіл.

3. Закон збереження заряду.

За електризації тіл виконується дуже важливий закон — збереження заряду: в ізольованій системі алгебраї­чна сума зарядів усіх частинок залишається сталою.

Цей закон не стверджує, що сумарні заряди всіх позитивно заря­джених і всіх негативно заряджених частинок повинні кожний окремо зберігатися. У разі іонізації атома в системі утворюються дві частин­ки: позитивно заряджений іон і негативно заряджений електрон. Су­марні позитивний і негативний заряди при цьому збільшуються, повний же електричний заряд залишається незмінним. Неважко побачити, що завжди зберігається різниця між загальним числом усіх позитивних і негативних зарядів.

4. Точковий заряд.

Можна сформулювати визначення точкового заря­ду:

заряд розміщений на тілі, розміри якого малі в порівнянні з відста­нями до інших тіл ,з якими воно взаємодіє називається точковим зарядом.

Назва «точковий заряд» не означає, що заряд розміщений у матері­альній точці. Всі тіла мають кінцеві розміри, одні й ті самі тіла в одно­му випадку можуть вважатися точковими, в іншому — ні.

5. Закон Кулона.

Основний закон електростатики був установлений експериментально Шарлем Кулоном 1785 року:

• сила взаємодії двох точкових нерухомих заряджених тіл у вакуумі прямо пропорційна добутку модулів зарядів і обернено пропорційна квад­рату відстані між ними:

де k — коефіцієнт пропорційності.

Межі застосовності закону Кулона.

У формулюванні закону Куло­на є вказівка на точковість зарядів. Розглянемо взаємодію двох мета­левих заряджених куль (рис. а, б). Чи залежить сила взаємодії між кулями від знака зарядів?

а б

Згідно із законом Кулона модуль сили взаємодії між зарядами не за­лежить від знака заряду. Але в першому випадку заряди, взаємно при­тягуючись, розташовуються ближче один до одного, ніж у другому. З цієї причини сила взаємодії різнойменних зарядів виявиться більшою, ніж однойменних, тобто в даному випадку закон Кулона не застосовний, оскільки заряди куль не можна вважати точковими.

У формулюванні закону Кулона вказується на нерухомість взаємоді­ючих заряджених тіл. Річ у тому, що взаємодія зарядів здійснюється за допомогою електромагнітного поля, яке може розповсюджуватися в просторі з кінцевою швидкістю. Поняття часу в закон Кулона не вхо­дить, а входить тільки поняття відстані. Будь-яке зміщення одного із зарядів позначиться на іншому не відразу, а через деякий час, необхід­ний електромагнітному сигналу для того, щоб подолати відстань, яка розділяє заряди. Якби швидкість розповсюдження електромагнітного поля була б нескінченно великою, то закон Кулона був би справедли­вий як для нерухомих зарядів, так і для тих, що рухаються. Та оск­ільки електромагнітні сигнали розповсюджуються з великою, але кінце­вою швидкістю, заряди, що рухаються, взаємодіють не так, як нерухомі.

Якщо ж виконується умова , де — відносна швидкість за­рядів, а

с — швидкість світла, то закон Кулона практично не зазнає істотних відхилень.

Одиниця електричного заряду.

Одиницю заряду в системі СІ — кулон, встановлюють за допомогою одиниці сили струму.

Один кулон — це заряд, який проходить за 1 с через поперечний пе­реріз провідника за сили струму 1 А:

1Кл = 1А*1с

Для визначення коефіцієнта k можна вчинити так само, як і під час визначення гравітаційної сталої в законі всесвітнього тяжіння. Значен­ня коефіцієнта визначається за формулою

Дані для правої частини дістають із досліду, вимірявши силу взає­модії між двома відомими зарядами й відстань між ними:

Коефіцієнт k в СІ прийнято записувати у формі

Величину називають електричною сталою.

Близькодія та дія на відстані. Питання про передавання впливу від одного заряду до іншого є необхідним «місточком» під час перехо­ду від поняття електричного заряду до поняття електричного поля.

В основі всіх фізичних явищ лежить взаємодія між тілами або час­тинками, що беруть участь у цих явищах. Земля рухається навколо Сонця через те, що взаємодіє з ним. Цією взаємодією є тяжіння Землі й Сонця за законом всесвітнього тяжіння. Тяжіння або відштовхуван­ня двох електричних зарядів обумовлює їх електричну взаємодію.

Закон Кулона, встановлений експериментально, не пояснює, як дія одного заряду передається іншому. Заряди діють один на одного, хоча, на перший погляд, немає ніякого посередника між ними. Уявлення про дію на відстані без участі якого-небудь матеріального посередника лежить в основі теорії далекодії. Її суть у тому, що дія здійснюється без участі якого-небудь посередника й миттєво передається від одного тіла до іншого.

Концепція далекодії була пануючою аж до другої половини XIX сто­ліття.

Згідно з ідеєю Фарадея електричні заряди не діють один на одного безпосередньо. Навколо зарядів існує середовище, за допомогою якого здійснюється електрична взаємодія. Простір, що оточує один заряд, діє на простір, що оточує інший заряд, і навпаки.

Переконання, згідно з яким усяка дія одного тіла на інше передаєть­ся з кінцевою швидкістю від точки до точки через середовище, яке ми не спостерігаємо, отримало назву близькодїі.

Посередником в електромагнітній взаємодії є поле.