Тема 7. Электростатика

Еще в VII веке до нашей эры древнегреческий ученый Фалес обнаружил, что янтарь, потертый о шерсть, притягивает легкие предметы (расческа, электроскоп - примеры). Мы говорим, что тела наэлектризовываются или, тела при этом приобретают электрические заряды. Электрический заряд любой системы тел состоит из элементарных частиц:

«-» - - электрон

«+» - - протон

«0» - - нейтрон

- элементарный электрический заряд

- масса протона и электрона

- масса электрона

– закон сохранения электрического заряда -

в изолированной системе алгебраическая сумма электрических зарядов остается постоянной.

Система называется электрически изолированной, если между ней и внешними телами нет обмена электрическими зарядами.

Сила взаимодействия неподвижных точечных электрических зарядов был экспериментально установлен французским физиком Кулоном

- закон Кулона

- диэлектрическая проницаемость - характеризует электрические свойства вещества

- электрическая постоянная

Точечным зарядом называется заряженное тело, размерами которого можно пренебречь по сравнению с расстоянием от этого тела до других тел, несущих заряд.

Электрические заряды вокруг себя создают электрическое поле. Если же заряд неподвижен - электростатическое поле.

Электрическое поле – особый вид материи, посредством которого взаимодействуют электрические заряды.

Количественной характеристикой силового действия электрического поля является физическая величина – напряженность

- силовая характеристика

- напряженность электрического поля точечного заряда

Наглядно электрическое поле можно представить с помощью силовых линий.

Линией напряженности электрического поля называется линия, в каждой точке которой касательная совпадает с вектором напряженности.

	Линии напряженности не совпадают, не пересекаются, начинаются на положительных зарядах и заканчиваются на отрицательных.
		Электрическое поле однородно, если во всех его точках векторы Е одинаковы, т.е. имеют одинаковую густоту.

Энергетической характеристикой электрического поля является

- потенциал

Поверхность, во всех точках которой потенциал электрического поля имеет одинаковые значения, называется эквипотенциальной.

- работа электрического поля по пере-

мещению заряда в этом поле

- связь между Е и

Существуют 2 способа расчета электрических полей:

1) принцип суперпозиции полей (наложения)

2) теорема Остроградского –Гаусса

где - поток вектора напряженности -

количество силовых линий, пронизывающих некоторую поверхность, расположенную перпендикулярно силовым линиям.

S

n В случае неоднородного поля

a

Тогда

-

поток напряженности сквозь любую поверхность равен алгебраической сумме потоков напряженности сквозь все малые участки этой поверхности.

В диэлектрике нет свободных зарядов, которые могли бы перераспределяться под действием поля. Все разноименные заряды в диэлектрике попарно связаны – диполи.

ℓ - дипольный момент

Помещенный в электрическое поле диэлектрик приобретает полярность: та часть его поверхности, в которую входят силовые линии, заряжается отрицательно, а противоположная часть заряжается положительно. Это явление называется поляризацией диэлектрика. Поляризация диэлектрика в электрическом поле ведет к ослаблению этого поля внутри диэлектрика.

Для количественного описания поляризации диэлектрика пользуются векторной величиной – поляризованность, определяемый как дипольный момент единицы объема диэлектрика.

- вектор поляризованности

Для большого класса диэлектриков (кроме сегнетоэлектриков) зависимость вектора поляризованности от напряженности поля имеет вид

- диэлектрическая восприимчивость вещества.

Сегнетоэлектрики – диэлектрики, обладающие в определенном интервале температур спонтанной поляризованностью, т.е. поляризованность в отсутствие внешнего электрического поля. При отсутствии внешнего электрического поля сегнетоэлектрик представляет собой как бы мозаику из доменов – областей с различными направлениями поляризованности. При внесении сегнетоэлектрика во внешнее поле происходит переориентация дипольных моментов доменов по полю, а возникшее при этом суммарное электрическое поле доменов будет поддерживать их ориентацию и после прекращения действия внешнего поля.

Точка Кюри - температура, выше которой его необычные свойства исчезают и он становится обычным диэлектриком.

В сегнетоэлектриках наблюдается явление диэлектрического гистерезиса (запаздывания).

Р Как видно из рисунка, с увеличением

2 напряженности внешнего поля поляри -

Р₀ зованность растет, достигая насы -

щения (кривая 1). Уменьшение поля -

Е ризованности с уменьшением на -

-Е_с 1 3 пряженности происходит по кривой

2 и при сохраняет остаточную

поляризованность , т.е. сегнетоэлек-

трик остается поляризованным в отсут-

ствие внешнего электрического поля.

Чтобы деполяризовать диэлектрик, надо приложить электрическое поле обратного направления - - коэрцитивная сила (сила удерживания).

Если в электрическое поле внести, проводник и если даже он не заряжен, то этот проводник вызывает искажение поля: вблизи проводника оно становится неоднородным. Внутри проводника электростатическое поле будет отсутствовать, т.е. . Это означает, что потенциал во всех точках постоянен , т.е. поверхность проводника в электростатическом поле является эквипотенциальной. Следовательно, электрические заряды располагаются только по поверхности проводника, внутри проводника связанных зарядов нет. На этом свойстве проводников основана электростатическая защита: экранирование приборов от влияния внешних электростатических полей (густая металлическая сетка).

Если во внешнее поле

- + внести нейтральный

- Е₀= + + проводник, то связан -

ные заряды будут пе-

- + ремещаться.

На одном конце будет скапливаться избыток положительного заряда, на другом – избыток отрицательного заряда. Эти заряды называются индуцированными. Процесс будет происходить до тех пор, пока напряженность внутри проводника не станет равным нулю. Индуцированные заряды распределяются на внешней поверхности проводника. Явление перераспределения проводника во внешнем электростатическом поле называется электростатической индукцией. Так как поверхность проводника является эквипотенциальной, то заряженный проводник характеризуют потенциалом. По мере увеличения заряда проводника возрастает и его потенциал.

Отношение

- электроемкость уединенного проводника,

зависит только от его размера и формы.

- электроемкость двух проводников

Конденсатор – два проводника, разделенные слоем диэлектрика - накапливают заряд и быстро разряжаются.

- емкость плоского конденсатора

- емкость шара

- емкость цилиндрического конденсатора

- емкость сферического конденсатора

Электростатические силы взаимодействия консервативны. Следовательно, система зарядов обладает потенциальной энергией.

Потенциальная энергия системы двух неподвижных точечных зарядов

Энергия заряженного проводника, равна той работе, которую необходимо совершить, чтобы зарядить этот проводник

Как и всякий заряженный проводник, конденсатор обладает энергией