Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Физика. В 2 частях. Ч.2. Молекулярная физика. Термодинамика. Электродинамика. Учебное пособие
.pdf
51
0
q
0
q
F
E
E
0
q
F
каждого электрического заряда и передаёт действие одного заряда
на другой.
Электрическим полем называют вид материи, посредством
которого происходит взаимодействие электрических зарядов.
Любой электрический заряд изменяет свойство окружающей его
среды, создавая в ней электрическое поле.
Электрическое поле, создаваемое неподвижными электрическими
зарядами, не изменяется с течением времени и называется
электростатическим.
Электрическое поле исследуют с помощью небольших
заряженных тел – «пробных зарядов».
Пробным зарядом
называют заряд, который своим
присутствием не изменяет исследуемое поле. Величина пробного
заряда должна быть очень малой по сравнению с зарядом, который
создаёт поле. В качестве пробного заряда условно принимают
положительный заряд.
В каждой точке электрического поля на пробные заряды
действуют кулоновские силы.
Сила, действующая на пробный заряд, помещённый в данную
точку поля, пропорциональна величине этого заряда. Но отношение
силы к величине пробного заряда в данной точке поля – величина
постоянная.
Физическая векторная величина, равная отношению силы, с
которой поле действует на пробный заряд, помещённый в данную
точку поля, к величине этого заряда, называется напряжённостью
электрического поля в точке:
,
где
– напряжённость электрического поля;
– пробный заряд;
–
сила, действующая на пробный заряд.
52
E
E
2
0
εεπ4
1
r
q
E
м
В
1
E
2
E
n
E
E
Напряжённость является силовой характеристикой поля.
Напряжённость электрического поля – величина векторная.
Направление вектора напряжённости совпадает с направлением
вектора силы по линии, которая соединяет данную точку поля с
зарядом.
Если поле создаётся положительным зарядом, то вектор
направлен от заряда во внешнее пространство (отталкивание пробного
положительного заряда) (рис. 25, а); если поле создаётся
отрицательным зарядом, то вектор
направлен к заряду (рис. 25, б).
Рис. 25
Напряжённость поля точечного заряда можно вычислить по
формуле:
. (10)
Из формулы (10) видно, что напряжённость электрического поля
точечного заряда зависит от величины этого заряда и от квадрата
расстояния от заряда до данной точки поля.
Единица напряжённости в системе СИ – 1
.
Каждый электрический заряд создаёт в пространстве
электрическое поле независимо от других электрических зарядов.
Если в данной точке пространства различные заряженные частицы
создают электрическое поле с напряжённостями
результирующая напряжённость
равна геометрической сумме
,
, …,
, то
напряжённостей всех полей – принцип суперпозиции полей.
53
21
EEE
Например, напряжённость электрического поля, создаваемого двумя
электрическими зарядами, равна
(рис. 26).
Рис. 26
Фарадей предложил изображать электрическое поле графически
при помощи силовых линий. Силовой линией электрического поля
называется воображаемая линия, касательная к которой в каждой
точке совпадает по направлению с вектором напряжённости поля в
этой точке. Принято считать, что силовые линии начинаются на
положительных (+) зарядах и оканчиваются на отрицательных (–)
(рис. 21).
Рис. 27
Силовые линии незамкнутые. Силовые линии непрерывны и не
пересекаются, так как в каждой точке поля вектор напряжённости
имеет одно направление (рис. 27).
Электрическое поле бывает однородное и неоднородное.
Однородным называется поле, напряжённость которого одинакова по
54
модулю и направлению в любой точке пространства (рис. 28, а). Поле,
напряжённость которого отличается в разных его точках, называется
неоднородным (рис. 28, б).
Рис. 28
Задания
Выучите новые слова и словосочетания:
электрическое поле силовые линии
электростатическое поле принцип суперпозиции полей
пробный заряд однородное поле
напряженность неоднородное поле
??? Ответьте на вопросы.
1. Что называется электрическим полем?
2. Что называется электростатическим полем?
3. Что называется напряжённостью электрического поля?
4. В чём измеряется напряжённость?
5. Какое направление имеет вектор напряжённости?
6. Чему равна напряжённость поля в данной точке?
7. От чего зависит напряжённость поля в точке?
8. В чём заключается принцип суперпозиции полей?
9. Что такое силовая линия? Какие свойства она имеет?
10. Какое поле называется однородным? Неоднородным?
Упражнение 12. Решите задачи.
1. На заряд 210-7 Кл в некоторой точке поля действует сила
0,015 Н. Определить напряженность поля в этой точке.
55
м
В
м
В
м
В
2. Поле в глицерине образовано точечным зарядом 710
-8
Кл.
Какова напряженность поля в точке, отстоящей от заряда на
расстоянии 7 см, если ε = 50?
3. Напряжённость электрического поля в вакууме – 5,4108
напряжённость того же поля и титанате бария – 4,5105
. Определите
, а
диэлектрическую проницаемость титаната бария.
4. Вычислите ускорение электрона в однородном электрическом
поле напряжённостью 2106
.
§ 13. Работа сил электростатического поля.
Потенциал. Разность потенциалов
На всякий заряд, который находится в электрическом поле,
действует сила. На рис. 29 изображено однородное
электростатическое поле, образованное вертикальными пластинками,
расположенными на расстоянии d друг от друга и имеющими заряды
противоположных знаков.
Рис. 29
Под действием силы со стороны поля происходит перемещение
пробного положительного заряда вдоль линии напряженности поля.
При этом сила, которая действует на пробный заряд, совершает
работу.
56
αcossFA
EqF
αcos sEqA
ds αcos
dEqA
q
A
rq
εεπ4
1
0
Работа по перемещению заряда q в однородном электрическом
поле на пути s равна:
,
где F – кулоновская сила; – угол между направлением силы и
направлением движения заряда.
Так как
расстояние между пластинками, тогда
, то
, и если
, где d –
.
Если работа совершается силами поля, то работа имеет
положительное значение (А > 0). Если работа совершается внешними
силами, то работа имеет отрицательное значение (А < 0).
Работа по перемещению заряда из одной точки поля в другую не
зависит от формы траектории, а зависит от положения начальной и
конечной точек пути. Поле, работа сил которого не зависит от формы
траектории, называют потенциальным. Электростатическое поле
является потенциальным.
Работа есть мера изменения энергии, следовательно,
электрическое поле обладает энергией.
Физическая величина, равная работе, совершаемой
электрическими силами при перемещении единичного
положительного заряда из данной точки поля в бесконечность,
называется потенциалом данной точки электрического поля:
.
Потенциал является энергетической характеристикой
электростатического поля.
Единица измерения потенциала в системе СИ – 1 В (вольт).
Потенциал любой точки поля, создаваемого точечным зарядом или
заряженным шаром, вычисляется по формуле:
.
57
q
A
BB
q
A
CC
BA
CA
q
A
q
A
CB
CB
q
A
21
q
A
U
21
Кл
Дж
Потенциал точек поля положительного заряда положителен, а
отрицательного заряда отрицателен.
Пусть поле создано зарядом +q. Определим разность потенциалов
точек В и С (рис. 30).
+q В
С
Рис. 30
Потенциалы точек равны:
перемещаемый в поле;
и
– работа, совершаемая при переносе
и
, где q – заряд,
заряда из бесконечности в точку B и в точку C.
Перенесём заряд в точку В через точку С, тогда
Разность потенциалов точек B и C равна работе, затраченной при
переносе единичного заряда из точки C в точку B. Для любых точек
поля
называется напряжением U. Напряжение равно
Единица напряжения в системе СИ – 1 вольт, 1 В =1
. Разность потенциалов между двумя точками поля
.
.
.
1 вольт (В) – разность потенциалов между двумя точками
электрического поля, при которой работа по перемещению заряда в 1
кулон из одной точки в другую равна 1 джоулю.
Работа, совершаемая силами электрического поля при
перемещении заряда из одной точки поля в другую, равна
произведению заряда на разность потенциалов данных точек
поля:
58
UqqA )(
21
21
dEqA
UqA
UqdEq
d
U
E
м
В
1E
.
Если заряд движется по замкнутому контуру, то совершаемая
работа будет равна нулю:
и A = 0.
Работа по перемещению заряда в однородном поле:
и
отсюда
и связь между напряжённостью однородного
электрического поля и напряжением
,
Напряжённость однородного электрического поля численно равна
разности потенциалов, приходящейся на единицу длины, взятой вдоль
силовой линии поля.
Задания
Выучите новые слова и словосочетания:
потенциал вольт
.
потенциальное поле напряжение
??? Ответьте на вопросы.
1. Чему равна работа по перемещению заряда в электрическом
поле?
2. Что такое потенциальное поле?
3. Что называется потенциалом?
4. В каких единицах измеряется потенциал?
5. Какой характеристикой поля является потенциал?
6. Что называется разностью потенциалов двух точек поля? В
каких единицах измеряется разность потенциалов?
7. Какая связь между напряжённостью и напряжением?
Упражнение 13. Решите задачи.
1. Каков потенциал электрического поля в точке, где
потенциальная энергия электрона равна 810
-16
Дж?
59
2. Найти напряжённость и потенциал в точке поля, удалённой от
заряда 0,6108 Кл на расстояние 0,1 м.
3. Заряд переместился между двумя точками с разностью
потенциалов 1 кВ, при этом поле совершило работу, равную 40 мкДж.
Найти величину заряда.
§ 14. Проводники и диэлектрики
Все вещества, существующие в природе, различаются своими
электрическими свойствами. Заряды, находящиеся в веществе,
бывают свободные и связанные. Свободные электрические заряды
могут двигаться по всему объёму тела. Связанные заряды
принадлежат данной молекуле и не могут её покинуть без больших
затрат энергии.
Таким образом, в зависимости от концентрации свободных
зарядов различают три типа веществ: проводники, диэлектрики и
полупроводники.
Проводники – вещества, в которых имеется значительное
число свободных зарядов, перемещаясь по всему объёму
проводника, проводят электрический ток.
К таким веществам относятся: металлы и их расплавы; природный
углерод (каменный уголь, графит); электролиты – растворы солей,
кислот и щелочей; ионизированный газ (плазма).
Характеристика проводников (рис 31):
1. Электростатического поля внутри проводника нет.
2. Весь статический заряд проводника сосредоточен на его
поверхности.
3. Вектор напряжённости у поверхности проводника направлен
перпендикулярно этой поверхности.
60
Рис. 31
Рассмотрим случай, когда металлический проводник находится в
однородном электростатическом поле (рис. 32).
Рис. 32
Под действием электрического поля свободные электроны
приходят в упорядоченное движение (т.е. в проводнике возникает
электрический ток). В результате одна сторона проводника заряжается
отрицательно, а другая – положительно. Это явление называется
электростатической индукцией. Т.е. электростатическая
индукция – явление, при котором на поверхности проводника,
помещённого в электростатическое поле, появляются
электрические заряды.
Из-за электростатической индукции возникает другое
электростатическое поле, создаваемое появившимися зарядами. По
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]