126

Министерство образования и науки Российской Федерации

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Уфимский государственный нефтяной технический университет»

Кафедра физики

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

для самостоятельной работы студентов по физике

Часть 2 «Электростатика. Постоянный ток»

2011

Учебное пособие для самостоятельной работы (СРС) студентов по разделу «Электростатика. Постоянный ток» состоит из следующих структурных элементов:

1. Информационная часть (теория), то есть структурированный теоретический материал с выделением элементов знания.

2. Контрольные вопросы первого уровня для проверки усвоения теоретического материала.

3. Примеры решения задач для выработки у студентов навыков по практическому применению информационной части.

4. Контрольные вопросы второго уровня (сборник задач) для проверки в решении задач.

5. Контрольные вопросы третьего уровня в тестовом виде для проверки остаточных знаний.

6. Справочник с фундаментальными постоянными.

Предназначено для студентов очной формы обучения всех специальностей.

Составители: Шестакова Р.Г., доц., канд. хим. наук

Бочкор С.А., доц., канд. хим. наук

Рецензент: Мукаева Г.Р., доц., канд. техн. наук

© Уфимский государственный нефтяной технический университет, 2011

1 Электростатика

Электростатика изучает взаимодействия и свойства неподвижных электрических зарядов.

1.1 Электрические заряды. Закон сохранения электрического заряда

Уже в VII веке до нашей эры древнегреческий ученый Ф. Милетский описал способность янтарной палочки, натертой шелком, притягивать легкие предметы. В конце XIV в. английский врач и физик У. Гильберт заинтересовался этим явлением и обнаружил аналогичные свойства у стекла, фарфора и многих других тел, предварительно натертых кожей, сукном и прочими мягкими материалами. Это явление Гильберт назвал электризацией. Электризация бывает положительной (которую приобретает стекло, натертое кожей) и отрицательной (которую приобре­тает кожа). Таким образом, при электризации тел трением, оба тела элек­тризуются, т.е. приобретают заряды, равные по величине и противоположные по знаку.

Явление электризации тел долгое время не могло быть объяснено. Только в 1881 г. немецким физиком Г. Гельмгольцем была высказана гипотеза, объясняющая электрические явления существованием электрически заряженных элементарных частиц. Эта гипотеза была подтверждена в 1897 г. английским физиком Д. Томсоном открытием электрона и в 1919 г. английским физиком Э. Резерфордом открытием протона. Масса электрона m_e=9.1110^-31 кг, его заряд e = -1.610^-19 Кл. Масса протона m_p=1.6710^-27 кг, его заряд e= +1.610^-19 Кл (в системе единиц СИ единица заряда называется Кулон в честь английского ученого Кулона и обозначается 1Кл). Опытным путем (1910-1914 гг.) американский физик Р. Милликен доказал дискретность электрических зарядов: заряд любого тела равен целому числу элементарных зарядов. Носителем элементарного отрицательного заряда является электрон, положительного - протон. В незаряженном теле число положительных и отрицательных элементарных зарядов одинаково, в заряженном теле - различно. Английский физик М. Фарадей при обобщении опытных данных установил фундаментальный закон природы - закон сохранения заряда: алгебраичес­кая сумма электрических зарядов любой электрически замкнутой системы остается неизменной, какие бы процессы в ней не происходили. Электрически замкнутой является система, не обменивающаяся зарядами с внешними телами. Позднее было обнаружено, что величина электрического заряда не зависит от системы отсчета, от того - движется заряд или покоится. Следовательно, заряд - релятивистки инвариантная величина.

В зависимости от концентрации свободных зарядов все тела делятся на про­водники, диэлектрики и полупроводники.

К проводникам относятся вещества, в которых свободные электрические заряды перемещаются свободно по всему объему. Это металлы, электролиты и плазма. Проводники делятся на две группы. В проводниках первого рода (металлах) перенос зарядов (свободных элек­тронов) не сопровождается химическими изменениями самих проводников. В проводниках второго рода (электролитах, расплавах солей) перемещение положительных и отрицательных ионов ведет к химическим изменениям в самих проводниках.

Диэлектрики - это вещества, в которых практически отсутствуют свободные заряды. Они не проводят электрический ток. К диэлектрикам относятся: стекло, янтарь, каучук, сера, пластмассы, эбонит, газы при комнатной температуре.

Полупроводники (германий, кремний, селен, графит и др.) по своим свойствам занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. Их свойства в значительной мере зависят от внешних условий, главным образом, от температуры.