Раздел 3. Основы термодинамики.

Тема 3.1. Электростатика.

Основные понятия и термины по теме:

Электростатика. Электрический заряд. Закон сохранения заряда. Закон Кулона. Электрическое поле. Напряжённость. Силовые линии. Потенциал. Эквипотенциальные поверхности.

План изучения темы:

1. Электростатика. Электрический заряд.

2. Закон Кулона.

3. Электрическое поле. Напряжённость поля.

4. Потенциал. Эквипотенциальные поверхности.

Краткое изложение теоретических вопросов:

Электризация – физическое явление, которое указывает на возникновение взаимодействия (притяжения или отталкивания) двух тел при приведении их в плотный контакт или при трении.

Электрический заряд – физическая величина, характеризующая свойство тел вступать в электростатическое взаимодействие. Заряд бывает двух видов, называемых положительным и отрицательным:

• заряды одного вида отталкиваются друг от друга, заряды разных видов - притягиваются, причем сила отталкивания равна по модулю силе притягивания;

• число положительных и отрицательных зарядов во Вселенной одинаковое.

Электрический заряд релятивистски инвариантен, т. е. его величина не зависит от скорости системы отсчета, как бы велика она ни была.

Величина заряда может принимать только дискретные значения:

1. Минимальный заряд частицы e = 1.60·10^-19 Кл;

2. Любой заряд q кратен минимальному, т.е. q=Ne, где N - целое число;

3. Минимальные положительный и отрицательный заряды равны по абсолютной величине.

Закон сохранения заряда: алгебраическая сумма электрических зарядов изолированной системы при любых взаимодействиях остаётся постоянной.

Закон Кулона: сила взаимодействия между двумя неподвижными точечными зарядами, находящимися в вакууме пропорциональна произведению величин зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними:

Заряд изменяет свойства окружающего его пространства, т.е. он создает вокруг себя нечто материальное, посредством чего осуществляется взаимодействие между зарядами. Это нечто и называется электрическим полем. Для обнаружения и исследования электрического поля нужно воспользоваться пробным зарядом. Пробный заряд должен быть точечным и малым (чтобы не искажать поле своим присутствием). Поле характеризуется величиной напряженности, которая численно равна силе, действующей на единичный пробный заряд:

[В/м]

Направление вектора напряженности совпадает с направлением силы, действующей на положительный заряд.

В математике вводится определение векторного поля как части пространства, каждой точке которого сопоставлен вектор. Так совокупность векторов E образует поле вектора напряженности электрического поля. Графически поле E изображается при помощи силовых линий напряжённости.

Силовая линия – электрического поля – воображаемая линия, в каждой точке которой напряжённость поля направлена по касательной. Густота силовых линий пропорциональна модулю вектора .

Напряженность поля системы зарядов равна векторной сумме напряженности полей, которые создавал бы каждый из зарядов системы в отдельности:

Это положение называется принципом суперпозиции.  Принцип суперпозиции позволяет вычислить напряженность поля любой системы зарядов. 

В электростатическом поле работа по перемещению заряда не зависит от формы траектории, а зависит от начального и конечного положения заряда. Работа по замкнутой траектории равна нулю. Т.е. электростатическое поле потенциально.

Потенциалом точки электростатического поля называется отношение потенциальной энергии заряда, помещённого в данную точку, к этому заряду.

[В].

Является энергетической характеристикой электрического поля.

Работа сил поля при перемещении заряда из точки 1 в точку 2 может быть представлена как

, где

- разность потенциалов или напряжение.

Потенциал поля может быть как положительным, так и отрицательным.

Потенциальная энергия системы зарядов равна алгебраической сумме энергий взаимодействия зарядов попарно.

Эквипотенциальные поверхности – геометрическое место точек, потенциалы которых одинаковы.

Связь между потенциалом и напряжённостью однородного поля:

Если поле создано пластинами, расстояние между которыми d:

Лабораторные работы – «не предусмотрено»

Практические занятия: