- •Электричество и постоянный ток Электронный учебник по физике кгту-кхти. Кафедра физики. Старостина и.А., Кондратьева о.И., Бурдова е.В.
- •Оглавление
- •Электричество и постоянный ток
- •1. Электростатика.
- •1.1. Электрические заряды. Закон сохранения электрического заряда.
- •1.2. Закон Кулона.
- •1. 3. Электростатическое поле и его напряженность.
- •1.4. Графическое изображение электростатических полей
- •1. 5. Принцип суперпозиции электростатических полей.
- •1.6. Электростатическое поле электрического диполя.
- •1.7. Поток вектора напряженности электростатического поля
- •1. 8. Теорема Гаусса для электростатического поля в вакууме.
- •1. 9. Применение теоремы Гаусса для расчета напряженности электростатического поля.
- •1 Рис.1.12. К определению работы перемещения заряда в электростатическом поле. .10. Работа сил электростатического поля при перемещении заряда.
- •1.11. Циркуляция вектора напряженности электростатического поля.
- •1.12. Потенциальная энергия и потенциал электростатического поля.
- •1.13. Связь между потенциалом и напряженностью электростатического поля. Эквипотенциальные поверхности.
- •1.14. Вычисление разности потенциалов по напряженности поля
- •1.15. Диэлектрики в электрическом поле
- •1.15.1. Типы диэлектриков. Поляризация диэлектриков.
- •1.15.2. Вектор поляризации и диэлектрическая восприимчивость диэлектриков
- •1.15.3. Напряженность поля в диэлектрике
- •1.15.4. Электрическое смещение. Теорема Гаусса для электростатического поля в диэлектрике
- •1.15.5. Сегнетоэлектрики
- •1.15.6. Пьезоэлектрический эффект.
- •1. 16. Проводники в электростатическом поле
- •1. 17. Электрическая емкость уединенного проводника
- •1. 18. Взаимная электроемкость. Конденсаторы
- •1. 19. Энергия заряженного уединенного проводника, конденсатора. Энергия электростатического поля
- •2. Постоянный электрический ток
- •2.1. Электрический ток, сила и плотность тока
- •2.2. Сторонние силы. Электродвижущая сила и напряжение
- •2.3. Закон Ома для участка и полной замкнутой цепи
- •2.4. Сопротивление проводника. Явление сверхпроводимости.
- •2.5. Работа и мощность тока. Закон Джоуля-Ленца.
- •2. 6. Правила Кирхгофа для разветвленных цепей.
- •3. Электрические токи в металлах, вакууме и полупроводниках
- •3.1. Опытные доказательства электронной проводимости металлов.
- •3.2. Основные положения классической теории электропроводности металлов
- •3. 3. Работа выхода электрона из металла. Контактная разность потенциалов.
- •3. 4. Термоэлектрические явления
- •3. 5. Электрический ток в вакуумном диоде
- •3. 6. Собственная и примесная проводимость полупроводников.
- •3.7. Элементы современной квантовой или зонной теории твердых тел.
1 Рис.1.12. К определению работы перемещения заряда в электростатическом поле. .10. Работа сил электростатического поля при перемещении заряда.
При перемещении заряда в электростатическом поле, действующие на заряд кулоновские силы, совершают работу. Пусть заряд q00 перемещается в поле заряда q0 из точки С в точку В вдоль произвольной траектории (рис.1.12). На q0 действует кулоновская сила
. При элементарном перемещении заряда dl, эта сила совершает работу dA
, где - угол между векторами и. Величинаdlcos=dr является проекцией вектора на направление силы. Таким образом,dA=Fdr, . Полная работа по перемещению заряда из точки С в В определяется интегралом , гдеr1 и r2 - расстояния заряда q до точек С и В. Из полученной формулы следует, что работа, совершаемая при перемещении электрического заряда q0 в поле точечного заряда q, не зависит от формы траектории перемещения, а зависит только от начальной и конечной точки перемещения.
В разделе динамики показано, что поле, удовлетворяющее этому условию, является потенциальным. Следовательно, электростатическое поле точечного заряда - потенциальное, а действующие в нем силы - консервативные.
Если заряды q и q0 одного знака, то работа сил отталкивания будет положительной при их удалении и отрицательной при их сближении (в последнем случае работу совершают внешние силы). Если заряды q и q0 разноименные, то работа сил притяжения будет положительной при их сближении и отрицательной при удалении друг от друга (последнем случае работу также совершают внешние силы).
Пусть электростатическое поле, в котором перемещается заряд q0, создано системой зарядов q1, q2,...,qn. Следовательно, на q0 действуют независимые силы , равнодействующая которых равна их векторной сумме. Работа А равнодействующей силы равна алгебраической сумме работ составляющих сил, , гдеri1 и ri2 - начальное и конечное расстояния между зарядами qi и q0 .
1.11. Циркуляция вектора напряженности электростатического поля.
При перемещении заряда по произвольному замкнутому пути L работа сил электростатического поля равна нулю. Поскольку, конечное положение заряда равно начальному r1=r2, то и(кружок у знака интеграла указывает на то, что интегрирование производится по замкнутому пути). Так каки, то. Отсюда получаем. Сократив обе части равенства наq0, получим или, гдеEl=Ecos - проекция вектора Е на направление элементарного перемещения . Интегралназываетсяциркуляцией вектора напряженности. Таким образом, циркуляция вектора напряженности электростатического поля вдоль любого замкнутого контура равна нулю. Это заключение есть условие потенциальности поля.
1.12. Потенциальная энергия и потенциал электростатического поля.
Из раздела динамики известно, что любое тело (точка), находясь в потенциальном поле, обладает запасом потенциальной энергии Wп, за счет которой силами поля совершается работа. Работа консервативных сил сопровождается убылью потенциальной энергии A=Wп1-Wп2 . Используя формулу работы силы электростатического поля по перемещению заряда, получим
. Отсюда следует, что потенциальная энергия точечного заряда q0 в поле заряда q равна
, где С - произвольная постоянная. Принято считать, что при r потенциальная энергия обращается в ноль и тогда С=0, а . Из формулы следует, что потенциальная энергия взаимодействия одноименных зарядов положительная и разноименных - отрицательная.
Если поле создано системой зарядов q1, q2, ..., qn, то потенциальная энергия заряда q0 равна . Из полученных выражений видно, что потенциальная энергия зарядаq0 зависит от его величины и поэтому не может служить энергетической характеристикой данной точки поля.
Отношение потенциальной энергии заряда q0 к его величине является постоянным для данной точки поля и уже не зависит от величины q0. Поэтому может служить характеристикой поля и называется потенциалом электростатического поля . Потенциал поля - скалярная физическая величина, энергетическая характеристика поля, определяемая потенциальной энергией единичного положительного заряда, помещенного в эту точку.
Для одиночного заряда q получаем выражение для потенциала поля на расстоянии r от него .
Ранее было записано. Так каки, тои
. Отсюда можно видеть связь между работой в электрическом поле и потенциалами поля. Разность потенциалов двух точек поля определяется работой сил поля при перемещении единичного положительного заряда из точки 1 в точку 2.
Если заряд q0 перемещать из какой-либо точки поля за его пределы, то r2, Wп.2=0 и 2=0. Тогда работа по перемещению зарядаq0 в бесконечность равна ,.
Отсюда следует, что потенциал точки поля численно равен работе, совершаемой электрическими силами при перемещении единичного положительного заряда из данной точки поля в бесконечность.
Потенциал точки поля системы зарядов q1,q2,...,qn равен алгебраической сумме потенциалов полей всех этих зарядов:
. Единицей потенциала является Вольт (1В=1Дж/1Кл).