Физика. Электричество. Учебное пособие

А. В. Алпатов Н. Е. Мещерякова Е. О. Плешакова

ФИЗИКА. ЭЛЕКТРИЧЕСТВО

Учебное пособие

Специальности 230100 Информатика и вычислительная техника, 100101 Сервис, 260100 Технология продуктов питания, 080401 Товароведение и экспертиза товаров

2011

Содержание

Введение Тема 1. Электростатика в вакууме и веществе

Тема 2. Электрический ток в различных средах Тема 3. Магнитное поле в вакууме и веществе Тема 4. Основы электродинамики Заключение Список рекомендуемой литературы

5

3

Введение

Учебное пособие посвящено изучению раздела физики «Электричество». В пособии изложены основные понятии и законы электростатики, электрического тока в различных средах, магнитных явлений в вакууме и веществе, электродинамики.

Учебное пособие предназначено в первую очередь для студентов специальностей Товароведение и экспертиза товаров, Сервис, Информатика и вычислительная техника, как заочной формы обучения, так и студентам дневного отделения. Изложение материала ведется без громоздких математических выкладок, основное внимание уделяется физической сущности явлений и описывающих их законов. Предлагаемый краткий курс не охватывает как по объему, так и глубине весь материал, предусмотренный программой дисциплины. Поэтому для приобретения более полных и глубоких знаний, а также практических навыков решения задач по физике студенту необходимо пользоваться дополнительными источниками. Список некоторых рекомендуемых учебников и пособий приведен в конце пособия.

6

4

1.2.Закон Кулона

Вэлектростатике используют модель точечного заряда. Точечным называется заряд, распределенный на теле, размеры которого значительно меньше, чем любые расстояния, встречающиеся в данной задаче.

В1785 г. Ш. Кулоном был установлен закон взаимодействия точечных зарядов в вакууме:

Рис. 1.1

ствующие заряды, т.е. является центральной и соответствует отталкиванию (F > 0) в случае одноименных зарядов (см. рис. 1.1а) и притяжению (F < 0) в случае разноименных зарядов (см. рис. 1.1б). Как видно из рисунков 1.1a и 1.1б, сила отталкивания, действующая на данный заряд, направлена в ту же сторону, что и радиусвектор, проведенный к этому заряду; сила притяжения имеет противоположное направление. Поэтому целесообразно приписать этим силам соответствующие знаки: силам отталкивания – положительный, силам притяжения – отрицательный. Кулоновская сила, как и любая другая сила (например, гравитационная), подчиняется третьему закону Ньютона: силы взаимодействия между заря-

8

6

дами равны по модулю и направлены противоположно друг другу вдоль прямой, соединяющей эти заряды.

Всякое заряженное тело можно рассматривать как совокупность точечных зарядов. Поэтому сила, с которой одно заряженное тело действует на другое, равна геометрической сумме сил, приложенных ко всем точечным зарядам второго тела со стороны каждого точечного заряда первого тела.

1.3. Плотность электрического заряда

При решении ряда задач бывает удобнее считать, что заряды распределены в заряженном теле непрерывно – вдоль некоторой линии (например, в случае заряженного тонкого стержня), поверхности (например, в случае заряженной поверхности) или объема. Соответственно пользуются понятиями линейной, поверхностной и объемной плотностью зарядов.

Линейная плотность электрических зарядов:

9

7

1.4. Напряженность электростатического поля

Опыт показывает, что если в пространство, окружающее электрический заряд, внести другой заряд, то на него будет действовать кулоновская сила; значит, в пространстве, окружающем электрические заряды, существует силовое поле. Согласно представлениям современной физики, поле реально существует и наряду с веществом является одной из форм существования материи, посредством которого осуществляются определенные взаимодействия между макроскопическими телами или частицами, входящи-

Рис. 1.2.

ми в состав вещества. В данном случае говорят об электрическом поле – поле, посредством которого взаимодействуют электрические заряды. Электрические поля, которые создаются неподвижными электрическими зарядами, называются электростатически-

ми.

Объяснение возникновения электрического поля можно дать с позиции квантовой механики. Заряженное тело окружено «облаком» непрерывно испускаемых и поглощаемых виртуальных частиц (виртуальных фотонов). Возникают эти частицы в соответствии с законами квантовой физики. Заряженные тела взаимодействуют на расстоянии, обмениваясь виртуальными фотонами, переносящими энергию и импульс от одного тела к другому.

Силовой количественной характеристикой электрического поля является векторная величина, называемая напряженностью электрического поля Е:

q

Напряженность поля численно равна отношению силы, действующей в данной точке поля на пробный положительный точеч-

10

8

ный заряд q, к значению этого заряда. Пробный заряд должен быть

столь малым, чтобы его поле не искажало исследуемого поля.

Направление вектора E совпадает с направлением силы,

действующей на положительный заряд. Если поле создается положительным зарядом, то вектор E направлен вдоль радиуса-вектора

от заряда во внешнее пространство (отталкивание пробного поло-

жительного заряда); если поле создается отрицательным зарядом, то вектор E направлен к заряду (рис. 1.2).

Единица напряженности электростатического поля – ньютон на кулон (Н/Кл): 1 Н/Кл – напряженность такого поля, которое на точечный заряд 1 Кл действует с силой в 1 Н; 1 Н/Кл = 1 В/м, где В

Рис. 1.3.

(вольт) – единица потенциала электростатического поля. Графически электростатическое поле изображают с помощью

линий напряженности – линий, касательные к которым в каждой

напряженности приписывается направление, совпадающее с направлением вектора напряженности. Для однородного поля (когда вектор напряженности в любой точке постоянен по величине и направлению) линии напряженности параллельны вектору напряженности. Если поле создается точечным зарядом, то линии напряженности – радиальные прямые, которые выходят из заряда, если он положителен, и входят в него, если заряд отрицателен (рис.

1.2).

Для вектора напряженности электростатического поля вы-

полняется принцип суперпозиции электростатических полей, со-

гласно которому напряженность E результирующего поля, создаваемого системой зарядов, равна геометрической сумме напряжен-

11

9

ностей полей, создаваемых в данной точке каждым из зарядов в отдельности.

Принцип суперпозиции позволяет рассчитать электростатические поля любой системы неподвижных зарядов, поскольку если заряды не точечные, то их можно всегда свести к совокупности точечных зарядов.

Линии напряженности условились проводить с определенной густотой. Это позволяет характеризовать не только направление поля, но и значение напряженности. Число линий напряженности, пронизывающих единицу площади поверхности, перпендикулярную линиям напряженности, должно быть равно модулю вектора

называется потоком вектора напряженности через площадку dS.

Единица потока вектора напряженности электростатического поля

– 1 В·м. Для произвольной замкнутой поверхности S поток вектора

сит не только от конфигурации поля E , но и от выбора направле-

нияn . Для замкнутых поверхностей за положительное направле-

ние нормали принимается внешняя нормаль.

1.5. Потенциал электростатического поля. Эквипотенциальные поверхности

Если в электростатическом поле точечного заряда q из точки 1 в точку 2 вдоль произвольной траектории (рис. 1.4) перемещается другой точечный заряд q 0 , то сила, приложенная к заряду, совершает работу:

12

10