Электричество

25.Электрическое взаимодействие тел. Закон Кулона. Закон сохранения электрического заряда.

Законы взаимодействия атомов и молекул удается понять и объяснить на основе знаний о строении атома, используя планетарную модель его строения. В центре атома находится положительно заряженное ядро, вокруг которого вращаются по определенным орбитам отрицательно заряженные частицы. Взаимодействие между заряженными частицами называется электромагнитным. Интенсивность электромагнитного взаимодействия определяется физической величиной - электрическим зарядом, который обозначается q. Единица измерения электрического заряда - кулон (Кл). 1 кулон - это такой электрический заряд, который, проходя через поперечное сечение проводника за 1 с, создает в нем ток силой 1 А. Способность электрических зарядов как к взаимному притяжению, так и к взаимному отталкиванию объясняется существованием двух видов зарядов. Один вид заряда назвали положительным, носителем элементарного положительного заряда является протон. Другой вид заряда назвали отрицательным, его носителем является электрон. Элементарный заряд равен е=1,6·10-19 Кл.

Заряд тела всегда представляется числом, кратным величине элементарного заряда:q=e(Np-Ne) где Np - количество электронов, Ne - количество протонов.

Полный заряд замкнутой системы (в которую не входят заряды извне), т. е. алгебраическая сумма зарядов всех тел остается постоянной: q1 + q2+ ...+qn = const. Электрический заряд не создается и не исчезает, а только переходит от одного тела к другому. Этот экспериментально установленный факт называется законом сохранения электрического заряда. Никогда и нигде в природе не возникает и не исчезает электрический заряд одного знака. Появление и исчезновение электрических зарядов на телах в большинстве случаев объясняется переходами элементарных заряженных частиц - электронов - от одних тел к другим.

Электризация - это сообщение телу электрического заряда. Электризация может происходить, например, при соприкосновении (трении) разнородных веществ и при облучении. При электризации в теле возникает избыток или недостаток электронов.

В случае избытка электронов тело приобретает отрицательный заряд, в случае недостатка - положительный.

Законы взаимодействия неподвижных электрических зарядов изучает электростатика.

Основной закон электростатики был экспериментально установлен французским физиком Шарлем Кулоном и читается так. Модуль силы взаимодействия двух точечных неподвижных электрических зарядов в вакууме прямо пропорционален произведению величин этих зарядов и обратно пропорционален квадрату расстояния между ними.

F = k · q1q2/r2, где q1 и q2- модули зарядов, r - расстояние между ними, k - коэффициент пропорциональности, зависящий от выбора системы единиц, в СИ k = 9 · 109 Н · м2/Кл2. Величина, показывающая во сколько раз сила взаимодействия зарядов в вакууме больше, чем в среде, называется диэлектрической проницаемостью среды е. Для среды с диэлектрической проницаемостью е закон Кулона записывается следующим образом: F= k · q1q2/(е·r2)

Вместо коэффициента k часто используется коэффициент, называемый электрической постоянной е0. Электрическая постоянная связана с коэффициентом k следующим образом k = 1/4р е0 и численно равна е0=8,85 · 10-12 Кл/Н · м2.

С использованием электрической постоянной закон Кулона имеет вид:F=(1/4р е0 )· (q1q2 /r2)

Взаимодействие неподвижных электрических зарядов называют электростатическим, или кулоновским, взаимодействием. Кулоновские силы можно изобразить графически (рис. 14, 15).

Кулоновская сила направлена вдоль прямой, соединяющей заряженные тела. Она является силой притяжения при разных знаках зарядов и силой отталкивания при одинаковых знаках.

26.Напряженность электрического поля симметрично заряженных систем: точечный заряд, шаровой заряд, диполь.

Напряженностью электрического поля называют физическую величину, равную отношению силы, с которой поле действует на положительный пробный заряд, помещенный в данную точку пространства, к величине этого заряда:

Напряженность электрического поля – векторная физическая величина. Направление вектора   в каждой точке пространства совпадает с направлением силы, действующей на положительный пробный заряд.

Силовые линии кулоновских полей положительных и отрицательных точечных зарядов изображены на рис. 1.2.2. Так как электростатическое поле, создаваемое любой системой зарядов, может быть представлено в виде суперпозиции кулоновских полей точечных зарядов, изображенные на рис. 1.2.2 поля можно рассматривать как элементарные структурные единицы («кирпичики») любого электростатического поля.

Рисунок 1.2.2. Силовые линии кулоновских полей

В качестве примера применения принципа суперпозиции полей на рис. 1.2.3. изображена картина силовых линий поля электрического диполя – системы из двух одинаковых по модулю зарядов разного знака q и –q, расположенных на некотором расстоянии l.

Рисунок 1.2.3. Силовые линии поля электрического диполя

Важной характеристикой электрического диполя является так называемый дипольный момент 

27.Проводники и диэлектрики в электрическом поле. Электростатическая защита. Поляризация диэлектриков.

ПРОВОДНИКИ В ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОМ ПОЛЕ

Электростатическое поле - эл.поле, образованное неподвижными электрическими зарядами. Свободные электроны - электроны, способные свободно перемещаться внутри проводника ( в основном в металлах) под действием эл. поля; Свободные электроны возникают при образовании металлов: электроны с внешних оболочек атомов утрачивают связи с ядрами и начинают принадлежать всему проводнику;

- участвуют в тепловом движении и могут свободно перемещаться по всему проводнику. Электростатическое поле внутри проводника - внутри проводника электростатического поля нет ( Е = 0 ), что справедливо для заряженного проводника и для незаряженного проводника, внесенного во внешнее электростатическое поле.  Почему? - т.к. существует явление электростатической индукции, т.е.  явление разделения зарядов в проводнике, внесенном в электростатическое поле ( Евнешнее) с образованием нового электростатического поля ( Евнутр.) внутри проводника.

Внутри проводника оба поля ( Евнешн. и Евнутр.) компенсируют друг друга, тогда внутри проводника Е = 0. Заряды можно разделить:

Электростатическая защита

- металл. экран, внутри которого Е = 0, т.к. весь заряд будет сосредоточен на поверхности проводника. Электрический заряд проводников - весь статический заряд проводника расположен на его поверхности, внутри проводника q = 0; - справедливо для заряженных и незаряженных проводников в эл.поле. Линии напряженности эл.поля в любой точке поверхности проводника перпендикулярны этой поверхности.

ДИЭЛЕКТРИКИ В ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОМ ПОЛЕ

Внутри диэлектрика может существовать электрическое поле!

Электрические свойства нейтральных атомов и молекул: Нейтральный атом -положительный заряд ( ядро) сосредоточен в центре; - отрицательный заряд - электронная оболочка;  считается, что из-за большой скорости движения электронов по орбитам центр распределения отрицательного заряда совпадает с центром атома. Молекула - чаще всего - это система ионов с зарядами противоположных знаков , т.к. внешние электроны слабо связаны с ядрами и могут переходить к другим атомам. Электрический диполь - молекула, в целом нейтральная , но центры распределения противоположных по знаку зарядов разнесены; рассматривается, как совокупность двух точечных зарядов, равных по модулю и противоположных по знаку, находящихся внутри молекулы на некотором расстоянии друг от друга. Существуют 2 вида диэлектриков ( различаются строением молекул) : 1) полярные - молекулы, у которых центры положительного и отрицательного зарядов не совпадают ( спирты, вода и др.);

2) неполярные - атомы и молекулы, у которых центры распределения зарядов совпадают (инертные газы, кислород, водород, полиэтилен и др.).

ПОЛЯРИЗАЦИЯ ДИЭЛЕКТРИКОВ В ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ ПОЛЕ

- смещение положительного и отрицательного зарядов в противоположные стороны, т.е.ориентация молекул.

Поляризация полярных диэлектриков Диэлектрик вне эл.поля - в результате теплового движения электрические диполи ориентированы беспорядочно на поверхности и внутри диэлектрика. q = 0 и Eвнутр = 0 Диэлектрик в однородном эл.поле - на диполи действуют силы, создают моменты сил и поворачивают диполи вдоль силовых линий эл.поля.

НО ориентация диполей - только частичная, т.к. мешает тепловое движение. На поверхности диэлектрика возникают связанные заряды, а внутри диэлектрика заряды диполей компенсируют друг друга. Таким образом, средний связанный заряд диэлектрика = 0. Поляризация неполярных диэлектриков - тоже поляризуются в эл.поле: положительные и отрицательные заряды молекул смещаются,

центры распределения зарядов перестают совпадать (как диполи), на поверхности диэлектрика возникает связанный заряд, а внутри эл.поле лишь ослабляется.

Ослабление поля зависит от свойств диэлектрика