3. Электричество

Существует два рода электрических зарядов – положительные и отрицательные.

Одноименные заряды отталкиваются, разноименные – притягиваются.

Величина зарядов измеряется в Кулонах (Кл). Например, заряд электрона в системе СИ : e = 1,6^.10^-19 Кл.

3.1 Закон Кулона

Закон Кулона справедлив для точечных неподвижных зарядов. Точечными, так же как и тела в механике, считаются заряды, размерами которых можно пренебречь по сравнению с расстояниями между ними.

Пусть заряды q₁ и q₂ находятся на расстоянии r в вакууме. Тогда они будут взаимодействовать с силой , прямо пропорциональной величинам зарядов и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними

. (3.1)

Кулоновские силы направлены по линии, соединяющей центры зарядов.

Величина k, входящая в (3.1), зависит от системы единиц. В системе СИ:

Нм²/Кл²; =8,85^.10^-12 Кл²/Нм²

Следует помнить, что при погружении зарядов в какую-либо среду, например, керосин или воду, сила взаимодействия уменьшится в ε раз. С учетом этого закон Кулона принимает вид:

. (3.2)

Величина  называется диэлектрической проницаемостью.

3.2 Работа в электростатическом поле и напряжение

Электростатическим полем называется область пространства, в котором обнаруживается действие кулоновских сил.

При перемещении заряда электрическим полем производится работа. Сила Кулона является консервативной силой, поэтому работа в электростатическом поле не зависит от формы траектории по которой перемещается заряд.

Величина работы, которую производят электрические силы при перемещении единичного положительного заряда между двумя точками, называется разностью потенциалов или напряжением (U).

Потенциалом называют работу по перемещению такого же заряда в бесконечно удаленную точку.

Соответственно работа по перемещению произвольного заряда q равна

, (3.3)

Напряжение и потенциал в системе СИ измеряется в вольтах (В). 1 В – это такое напряжение (разность потенциалов) между двумя точками, когда при перемещении между ними положительного заряда в 1 кулон совершается работа в 1 Дж.

3.3 Постоянный электрический ток

Всякое упорядоченное движение носителей зарядов называют электрическим током. В металлах такими носителями являются электроны. За направление тока условно считают направление, противоположное направлению движения отрицательных зарядов.

Если за время ∆t через поперечное сечение проводника проходит количество электричесва (т.е. переносится заряд) ∆q, то силой (величиной) тока называется отношение

. (3.4)

Постоянный ток – это такой ток, при котором за любые равные промежутки времени через поперечное сечение проводника проходит одинаковое количество электричества.

За единицу силы тока в СИ принят ампер (А). 1 А- это такая сила тока, при которой через полное сечение проводника за 1 с проходит заряд в 1 Кл.

Для получения тока в замкнутой цепи на заряды должны действовать какие либо внешние силы. Назовем эти силы сторонними. Всякое устройство, в котором сторонние силы производят работу, называют источником питания (или генератором тока).

Электрической цепью называют совокупность источников питания, соединительных проводников и приборов (устройств), в которых ток производит работу.

В самой электрической цепи работу производят сторонние силы источника; они поддерживают на полюсах источника разность потенциалов.

Электродвижущая сила источника (ЭДС) численно равна работе сторонних сил при перемещении единицы заряда. ЭДС измеряется в тех же единицах (в вольтах), что и напряжение, потенциал.

Закон Ома для участка цепи без ЭДС (т.е на котором не действуют сторонние силы) – сила тока пропорциональна напряжению на его концах, т.е.

. (3.5)

В этом соотношении величина 1/R является коэффициентом пропорциональности и называется проводимостью.

Величина R называется электрическим сопротивлением.

Единица сопротивления в системе СИ называется Ом. 1 Ом - сопротивление такого проводника, на концах которого устанавливается напряжение в 1 В при токе в 1А.

Сопротивление проводника постоянного сечения может быть представлена в виде:

, (3.6)

где: ρ – удельное сопротивление, равное сопротивлению проводника единичной длины и единичной площади поперечного сечения;

S – площадь поперечного сечения проводника;

- длина проводника.

В системе СИ ρ измеряется в Ом^.м.

При последовательном соединении сопротивлений (см. Рис.2) общее сопротивление R равно сумме отдельных сопротивлений этого соединения, т.е.

. (3.7)

При параллельном соединении

. (3.8)

Рис.2

Закон Ома для участка цепи с ЭДС

. (3.9)

ВОПРОСЫ И ЗАДАЧИ

1. Расстояние между двумя точечными зарядами уменьшилось в два раза. Как изменится при этом кулоновская сила?

2. Величину одного из двух зарядов увеличили в 2 раза. Как изменится сила их взаимодействия?

3. Как, не изменяя величин зарядов и расстояния между ними, можно уменьшить силу взаимодействия между ними?

4. Два сопротивления, каждое из которых равно 4 Ом соединены последовательно. Чему равно их суммарное сопротивление?

5. Три сопротивления по 3 Ома соединены параллельно. Чему равно сопротивление такой цепи?

6. Через сопротивление 5 Ом течет ток 2 А. Каково напряжение на этом сопротивлении?

7. Два проводника из одинакового металла и одинаковой длины имеют диаметры отличающиеся в 2 раза. Как отличаются их сопротивления?