ЭЛЕКТРОСТАТИКА - раздел электродинамики, изучает покоящиеся электрически заряженные тела. Элементарные частицы могут иметь эл. заряд, тогда они называются заряженными; - взаимодействуют друг с другом с силами, которые зависят от расстояния между частицами,но превышают во много раз силы взаимного тяготения (это взаимодействие называется электромагнитным). Эл. заряд - физич. величина, определяет интенсивность эл/магнитных взаимодействий. Существует 2 знака эл.зарядов: положительный и отрицательный. Частицы с одноименными зарядами отталкиваются, с разноименными - притягиваются. Протон имеет положительный заряд, электрон - отрицательный, нейтрон - электрически нейтрален. Элементарный заряд - минимальный заряд, разделить который невозможно. Чем объяснить наличие электромагнитных сил в природе? - в состав всех тел входят заряженные частицы. В обычном состоянии тела эл. нейтральны (т.к. атом нейтрален), и эл/магн. силы не проявляются. Тело заряжено, если имеет избыток зарядов какого-либо знака: отрицательно заряжено - если избыток электронов; положительно заряжено - если недостаток электронов. Электризация тел - это один из способов получения заряженных тел, например, соприкосновением). При этом оба тела заряжаются , причем заряды противоположны по знаку, но равны по модулю.

Закон сохранения электрического заряда.

В замкнутой системе алгебраическая сумма зарядов всех частиц остается неизменной. ( ... но, не числа заряженных частиц, т.к. существуют превращения элементарных частиц).

Замкнутая система - система частиц, в которую не входят извне и не выходят наружу заряженные частицы.

Закон Кулона

- основной закон электростатики.

Сила взаимодействия двух точечных неподвижных заряженных тел в вакууме прямо пропорциональна произведению модулей заряда и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Когда тела считаются точечными? - если расстояние между ними во много раз больше размеров тел. Если у двух тел есть электрические заряды, то они взаимодействуют по закону Кулона. Единица электрического заряда 1 Кл - заряд, проходящий за 1 секунду через поперечное сечение проводника при силе тока 1 А. 1 Кл - очень большой заряд. Элементарный заряд:

Коэффициент пропорциональности

Принято записывать коэффициент пропорциональности в законе Кулона в вакууме в виде

где электрическая постоянная

Закон Кулона для величины силы взаимодействия зарядов в произвольной среде (в СИ):

Диэлектрическая проницаемость среды характеризует электрические свойства среды. В вакууме

Таким образом, сила Кулона зависит от свойств среды между заряженными телами.

ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ - существует вокруг электрического заряда, материально. Основное свойство электрического поля: действие с силой на эл.заряд, внесенный в него. Электростатическое поле- поле неподвижного эл.заряда, не меняется со временем. Напряженность электрического поля. - количественная характеристика эл. поля. - это отношение силы, с которой поле действует на внесенный точечный заряд к величине этого заряда. - не зависит от величины внесенного заряда, а характеризует электрическое поле!

ПОТЕНЦИАЛЬНАЯ ЭНЕРГИЯ ЗАРЯЖЕННОГО ТЕЛА В ОДНОРОДНОМ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОМ ПОЛЕ

Электростатическая энергия - потенциальная энергия системы заряженных тел (т.к. они взаимодействуют и способны совершить работу).

Так как работа поля не зависит от формы траектории, то одновременно

сравнивая формулы работы, получим потенциальную энергию заряда в однородном электростатическом поле

Если поле совершает положительную работу ( вдоль силовых линий ), то потенциальная энергия заряженного тела уменьшается (но согласно закону сохранения энергии увеличивается кинетическая энергия ) и наоборот.

ЭЛЕКТРОЕМКОСТЬ - характеризует способность двух проводников накапливать электрический заряд.  - не зависит от q и U. - зависит от геометрических размеров проводников, их формы, взаимного расположения, электрических свойств среды между проводниками.

Единицы измерения в СИ: ( Ф - фарад )

КОНДЕНСАТОРЫ

- электротехническое устройство, накапливающее заряд ( два проводника, разделенных слоем диэлектрика ).

где d много меньше размеров проводника. Обозначение на электрических схемах:

Все электрическое поле сосредоточено внутри конденсатора. Заряд конденсатора - это абсолютное значение заряда одной из обкладок конденсатора.

Виды конденсаторов: 1. по виду диэлектрика: воздушные, слюдяные, керамические, электролитические 2. по форме обкладок: плоские, сферические. 3. по величине емкости: постоянные, переменные (подстроечные).

Электроемкость плоского конденсатора

где S - площадь пластины (обкладки) конденсатора d - расстояние между пластинами eо - электрическая постоянная e - диэлектрическая проницаемость диэлектрика

Включение конденсаторов в электрическую цепь

параллельное

последовательное

Тогда общая электроемкость (С):

при параллельном включении

. при последовательном включении

ЭНЕРГИЯ ЗАРЯЖЕННОГО КОНДЕНСАТОРА

Конденсатор - это система заряженных тел и обладает энергией. Энергия любого конденсатора:

где С - емкость конденсатора q - заряд конденсатора U - напряжение на обкладках конденсатора Энергия конденсатора равна работе, которую совершит электрическое поле при сближении пластин конденсатора вплотную, или равна работе по разделению положительных и отрицательных зарядов , необходимой при зарядке конденсатора.

ЗАКОНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Электрический ток - упорядоченное движение заряженных частиц ( свободных электронов или ионов). При этом через поперечное сечение проводника перносится эл. заряд ( при тепловом движении заряженных частиц суммарный перенесенный эл. зпряд = 0, т.к. положительные и отрицательные заряды компенсируются).

Направление эл. тока - условно принято считать направление движения положительно заряженных частиц ( от + к - ).

Действия эл. тока ( в проводнике):

тепловое действие тока - нагревание проводника ( кроме сверхпроводников); химическое действие тока - проявляется только у электролитов, На электродах выделяются вещества, входящие в состав электролита; магнитное действие тока ( основное ) - наблюдается у всех проводников (отклонение магнитной стрелки вблизи проводника с током и силовое действие тока на соседние проводники посредством магнитного поля).

Количественная характеристика эл. тока.

Сила тока - это отношение заряда q, перенесенного через поперечное сечение проводника за интервал времени t к этому интервалу. Постоянный ток - эл. ток, у которого сила тока со временем не меняется.

Сила тока зависит от заряда частицы, концентрации частиц, скорости направленного движения частиц и площади поперечного сечения проводника.

 

где S - площадь поперечного сечения проводника, qo - эл. заряд частицы, n - концентрация частиц, v - скорость упорядоченного движения электронов.

Единица измерения силы тока:

Условия, необходимые для существования электрического тока: - наличие свободных электрически заряженных частиц; - наличие внутри проводника эл.поля действующего с силой на заряженные частицы для их упорядоченного движения ( свободные электроны по инерции , без действия силы, перемещаться не могут из-за тормозящего воздействия на них кристаллической решетки). Если в проводнике существует эл. поле, то между концами проводника есть разность потенциалов. Если разность потенциалов постоянна во времени , в проводнике течет постоянный ток.

ЗАКОН ОМА ДЛЯ УЧАСТКА ЦЕПИ

где U - напряжение на концах участка цепи, R - сопротивление участка цепи. (сам проводник тоже можно считать участком цепи). Для каждого проводника существует своя определенная вольт-амперная характеристика.

СОПРОТИВЛЕНИЕ - основная электрическая характеристика проводника. - по закону Ома эта величина постоянна для данного проводника.

1 Ом - это сопротивление проводника с разностью потенциалов на его концах  в 1 В и силой тока в нем 1 А. Сопротивление зависит только от свойств проводника:

где S - площадь поперечного сечения проводника, l - длина проводника, ро - удельное сопротивление, характеризующее свойства вещества проводника.

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЦЕПИ - состоят из источника, потребителя электрического тока, проводов, выключателя.

ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОЕ СОЕДИНЕНИЕ ПРОВОДНИКОВ

I - сила тока в цепи U - напряжение на концах участка цепи R - полное сопротивление участка цепи

ПАРАЛЛЕЛЬНОЕ СОЕДИНЕНИЕ ПРОВОДНИКОВ

I - сила тока в неразветвленном участке цепи U - напряжение на концах участка цепи R - полное сопротивление участка цепи

Вспомни, как подключаются измерительные приборы:

Амперметр - включается последовательно с проводником, в котором измеряется сила тока.

Вольтметр - подключается параллельно проводнику , на котором измеряется напряжение. 

РАБОТА ПОСТОЯННОГО ТОКА

Работа тока - это работа электрического поля по переносу электрических зарядов вдоль проводника; Работа тока на участке цепи равна произведению силы тока, напряжения и времени, в течение которого работа совершалась.

Применяя формулу закона Ома для участка цепи, можно записать несколько вариантов формулы для расчета работы тока:

По закону сохранения энергии:

работа равна изменению энергии участка цепи, поэтому выделяемая проводником энергия равна работе тока.

В системе СИ:

ЗАКОН ДЖОУЛЯ -ЛЕНЦА

При прохождениии тока по проводнику проводник нагревается, и происходит теплообмен с окружающей средой, т.е. проводник отдает теплоту окружающим его телам.

Количество теплоты, выделяемое проводником с током в окружающую среду, равно произведению квадрата силы тока, сопротивления проводника и времени прохождения тока по проводнику.

По закону сохранения энергии количество теплоты, выделяемое проводником численно равно работе, которую совершает протекающий по проводнику ток за это же время.

В системе СИ:

[Q] = 1 Дж

МОЩНОСТЬ ПОСТОЯННОГО ТОКА

- отношение работы тока за время t к этому интервалу времени.

В системе СИ:

Задачи для КР( 8 задач по разным разделам)

Тема 1. Закон Кулона

1. Два заряда, находясь в воздухе на расстоянии 0,05 м, действуют друг на друга с  силой 1,2·10^-4 Н, а в некоторой непроводящей жидкости на расстоянии 0,12 м с силой 1,5·10^-5 Н. Какова диэлектрическая проницаемость жидкости? 2. Заряд в 1,3·10^-9 Кл в керосине на расстоянии 0,005 м притягивает к себе второй заряд с силой 2·10^-4 Н. Найдите величину второго заряда. Диэлектрическая проницаемость керосина равна 2. З. На каком расстоянии друг от друга надо расположить два заряда по  5·10^-4 Кл, чтобы в керосине сила взаимодействия между ними оказалась равной 0,5 Н? Диэлектрическая проницаемость керосина равна 2. 4. Два одинаковых точечных заряда взаимодействуют в вакууме на расстоянии 0,1 м с такой же силой, как в скипидаре на расстоянии 0,07 м. Определите диэлектрическую проницаемость скипидара. 5. Два заряда по 3,3·10^-8 Кл, разделенные слоем слюды, взаимодействуют с силой 5·10^-2 Н. Определите толщину слоя слюды, если ее диэлектрическая проницаемость равна 8. 6. Определите расстояние r₁, между двумя одинаковыми электрическими зарядами, находящимися в масле с диэлектрической проницаемостью 3, если сила взаимодействия между ними такая же, как в пустоте на расстоянии r₂ = 0,3 м. 7. Три отрицательных заряда величиной по 3·10^-9 Кл каждый расположены в вершинах равностороннего треугольника. Какой заряд q нужно поместить в центре треугольника, чтобы система находилась в равновесии?

8. Два заряда, находясь в воздухе на расстоянии 0,06 м, действуют друг на друга с  силой 1,4·10^-4 Н, а в некоторой непроводящей жидкости на расстоянии 0,14 м с силой 1,8·10^-5 Н. Какова диэлектрическая проницаемость жидкости?

9. Определите расстояние r₁, между двумя одинаковыми электрическими зарядами, находящимися в масле с диэлектрической проницаемостью 2, если сила взаимодействия между ними такая же, как в пустоте на расстоянии r₂ = 0,4 м.

10. На каком расстоянии друг от друга надо расположить два заряда по  6·10^-3 Кл, чтобы в керосине сила взаимодействия между ними оказалась равной 0,8 Н? Диэлектрическая проницаемость керосина равна 2.

Тема 2. Напряженность электрического поля

1. Два заряда q₁ = +3·10^-7 Кл и q₂ = −2·10^-7 Кл находятся в вакууме на расстоянии 0,2 м друг от друга. Определите напряженность поля в точке С, расположенной на линии, соединяющей заряды, на расстоянии 0,05 м вправо от заряда q₂.

2. В некоторой точке поля на заряд 5·10^-9 Кл действует сила 3·10^-4 Н. Найдите напряженность поля в этой точке и определите величину заряда, создающего поле, если точка удалена от него на 0,1 м. 3. Два заряда q₁ = +2·10^-7 Кл и q₂ = −2·10^-7 Кл расположены в керосине на расстоянии 0,2 м друг от друга. Какова напряженность поля в точке, находящейся между зарядами на расстоянии  0,08 м от положительного заряда на линии, соединяющей центры зарядов? 4. Напряженность поля в керосине, образованного точечным зарядом 10·10^-7 Кл, на некотором расстоянии от него равна 5 Н/Кл. Определите расстояние от заряда до данной точки поля и силу, с которой поле действует на заряд 3·10^-6 Кл, помещенный в данную точку. 5. Какова напряженность электрического поля, созданного двумя зарядами 6·10^-9  и 2·10^-8 Кл в точке, находящейся между зарядами на расстоянии 0,03 м от первого заряда на линии, соединяющей заряды? Расстояние между зарядами 0,05 м, и находятся они в среде с диэлектрической проницаемостью 2. 6. Определите величину точечного заряда, образующего поле в вакууме, если на расстоянии  0,09 м от него напряженность поля составляет 4·10⁵ Н/Кл. На сколько ближе к заряду будет находиться точка, в которой напряженность окажется прежней, если заряд поместить в среду с диэлектрической проницаемостью 2?

7. В вершинах острых углов ромба со стороной а помещены положительные заряды q, а в вершине одного из тупых углов — положительный заряд Q. Определите напряженность электрического поля в четвертой вершине ромба, если меньшая диагональ ромба равна его стороне. 8. Металлический шар диаметром 4 см погружен в парафин. Поверхностная плотность заряда на шаре 0,8·10^-5 Кл/м². Какова напряженность поля в парафине на расстоянии 20 см от поверхности шара?

9. Какова напряженность электрического поля, созданного двумя зарядами 4·10^-9  и 4·10^-8 Кл в точке, находящейся между зарядами на расстоянии 0,03 м от первого заряда на линии, соединяющей заряды? Расстояние между зарядами 0,06 м, и находятся они в среде с диэлектрической проницаемостью 2.

10. В некоторой точке поля на заряд 5·10^-9 Кл действует сила 5·10^-4 Н. Найдите напряженность поля в этой точке и определите величину заряда, создающего поле, если точка удалена от него на 0,4 м.