Теоретичні відомості з теми:

Електричний заряд – це властивість тіл або частинок, яка характеризує здатність та інтенсивність їх електромагнітних взаємодій.

Електричну взаємодію зумовлює взаємодія двох видів електричних зарядів: заряди одного виду відштовхуються, а різних видів – притягуються. Розділення зарядів (дотиком різнорідних тіл, тертям, ударом і т.д.) приводить до електризації тіл. Тіло, що втратило деяку частину електронів, заряджається позитивно, а тіло, що набуло додаткових електронів,- негативно. Величина заряду наелектризованого тіла: q=N·e, де N – кількість додаткових (надлишкових) eлектронів в тілі; е=1,6·10 ^-19 Кл –модуль заряду електрона (протона) – елементарний заряд. В системі SI одиницею заряду є 1 Кл. Це заряд який переносять електрони за 1 с через провідник в якому тече струм силою 1 А.

Закон збереження електричного заряду: у замкнутій системі тіл алгебраїчна сума зарядів усіх тіл залишається незмінною. Тобто – яка кількість електронів під час електризації перейде з одного тіла на інше на стільки ж протонів буде більше на першому тілі ніж електронів.

Закон Кулона: нерухомі точкові заряди q₁ і q₂ взаємодіють у вакуумі із силами F , модуль яких прямо пропорційний добутку модулів зарядів та обернено пропорційний квадрату відстані r між зарядами. Сили F напрямлені вздовж прямої, що сполучає центри цих зарядів: F=k . У системі SI k=9·10⁹ Н·м²/Кл², а теоретично k= , де ε₀=8,85·10^-12 Ф/м (Кл²/Н·м²) - електрична стала.

Електричне поле – це вид матерії, що оточує електричні заряди та проявляється в дії на ці заряди з певною силою.. Д. Максвелл показав, що і електричне і магнітне поля є окремими проявами електромагнітного поля, яке поширюється в просторі у вигляді хвиль. Електромагнітне поле, яке створюють електричні заряди, що перебувають у спокої, називають електростатичним. Електромагнітне поле має енергію.

Фізичну величину, яка дорівнює відношенню сили F , що діє з боку електричного поля на точковий пробний заряд q, поміщений в дану точку поля, до значення цього заряду , називають напруженістю Е електричного поля в даній точці: Е= . Напруженість поля є векторною величиною: її напрям збігається з напрямом сили, що діє з боку поля на позитивний заряд.

Одиницею напруженості поля є [Е]= . Знаючи напруженість поля Е в даній точці поля можна знайти силу F, яка діє в цій точці на довільний заряд q за формулою: F=Е·q. Якщо поле створене точковим зарядом q то на відстані r від нього напруженість поля знаходиться за формулою: Е=k .

Принцип суперпозиції полів: напруженість поля Е, створеного в даній точці кількома зарядами, дорівнює векторній сумі напруженостей полів, створених у цій точці кожним із зарядів: Е = Е₁+Е₂+Е₃+… .

Уявні лінії, дотичні до яких у кожній точці збігаються з напрямом напруженості електричного поля, називають лініями напруженості електричного поля. Лінії напруженості починаються на позитивних зарядах і закінчуються на негативних зарядах. Лінії напруженості не перетинаються.

Заряджені частинки, які можуть переміщатися в усьому тілі з будь-якої речовини (зразку), називають вільними зарядами (для металів – це вільні електрони, для електролітів - вільні йони, для напівпровідників –вільні електрони та дірки і т.д.), а речовини, що містять вільні заряди, називають провідниками. Напруженість поля всередині ізольованого провідника дорівнює нулю. Речовини, у яких немає вільних зарядів, називають діелектриками (або ізоляторами, бо вони не проводять електричний струм і тому ізолюють провідники один від одного). Унаслідок поляризації діелектрика, внесеного в електричне поле, напруженість електричного поля всередині діелектрика зменшується. Величину , що показує, у скільки разів зменшується напруженість електричного поля всередині даного однорідного діелектрика, називають діелектричною проникністю та позначають ε. Тобто: ε = , де Е₀ – напруженість поля у вакуумі, Е - напруженість цього ж поля в діелектрику, внесеному в це поле. Тоді ε = , де F₀ – сила взаємодії між зарядами у вакуумі, F – сила взаємодії між цими ж зарядами в діелектрику. Тоді закон Кулона для зарядів, що містяться в діелектрику з діелектричною проникністю ε , набуває вигляду: F=k .

Різниця потенціалів між точками 1 і 2 дорівнює відношенню роботи поля під час переміщення заряду з точки 1 у точку 2 до величини цього заряду: φ₁-φ₂ = . Одиницею вимірювання різниці потенціалів в СІ є 1В= .

В атомній фізиці як одиницю енергії використовують електрон-вольт: 1еВ це кінетична енергія електрона, що пройшов у полі різницю потенціалів 1В. тоді 1 еВ=1,6·10^-19 Кл ·1В = 1,6·10^-19 Дж.

Знаючи різницю потенціалів (φ₁-φ₂) між двома точками поля можна визначити роботу поля А з переміщення заряду між цими точками: А = (φ₁-φ₂)·q.

Потенціалом електростатичного поля φ у даній точці називають фізичну величину, що дорівнює відношенню потенціальної енергії W_p заряду q, поміщеного в дану точку поля, до величини цього заряду: φ= . Потенціал поля точкового заряду q на відстані r від нього обчислюється за формулою: φ= Потенціал поля, створеного в даній точці кількома зарядами, дорівнює сумі потенціалів полів, що створюються в даній точці кожним із зарядів:φ=φ₁+φ₂+… .

В однорідному електростатичному полі різниця потенціалів між точками, з’єднаними вектором d, напрям якого збігається з напрямом напруженості поля Е, дорівнює U=E·d, або E= . Ці формули зв’язують між собою різницю потенціалів U (напругу) з напруженістю Е. Звідси встановлюється одиниця вимірювання напруженості [Е]= , та видно що напруженість поля напрямлена в бік зменшення потенціалу.

Якщо надати провіднику електричного заряду, потенціал провідника стане відмінним від нуля. Відношення заряду q відокремленого провідника до його потенціалу φ , тобто величину C = , називають електроємністю даного провідника. Чим більша електроємність провідника, тим більший заряд, якого можна надати цьому провіднику при заданому потенціалі. Одиниця вимірювання електроємності [С]= = Ф - фарад.

Конденсатор – пристрій для накопичення електричних зарядів. Конденсатор складається з двох (чи більше) провідників (обкладок), розділених тонким шаром діелектрика (зокрема, повітрям). Електроємністю конденсатора С називають фізичну величину, яка дорівнює відношенню модуля заряду q однієї з його обкладок до різниці потенціалів (напруги) U між обкладками: C = . Електроємність плоского конденсатора: C= , де ε₀ = 8,85·10^-12 - електрична стала, ε – діелектрична проникність діелектрика між обкладками (для повітря ε=1), S - площа однієї із пластин (м²).

Заряджений конденсатор має енергію, яку він може накопичувати чи віддавати майже миттєво: W_eл = = - енергія електричного поля, що існує між обкладками конденсатора.