Глава 12. Электростатика 5 Глава 13. Постоянный ток 42

Ответы к тестам 65 Литература 66

Организация самостоятельной работы студентов-заочников

При заочной форме обучения самостоятельная работа студентов с методическими и учебными материалами занимает значительное место в образовательном процессе.

Самостоятельная работа студентов – заочников в обязательном порядке включает в себя:

1. изучение физики по учебникам, учебным пособиям и другой рекомендуемой литературе;

2. выполнение контрольных работ, позволяющих студенту обобщить изученный учебный материал, систематизировать полученные знания;

3. выполнение курсовых проектов (работ).

Руководящими документами, используемыми при изучении каждой дисциплины, служат учебная программа и методические указания.

При изучении курса необходимо добиться полного и сознательного усвоения теоретических основ физики, научится применять теорию к решению задач.

Приступая к изучению каждого нового раздела курса, прежде всего, следует ознакомиться с содержанием темы по программе и методическим указаниям, уяснить объем темы и последовательность рассматриваемых в ней вопросов.

При изучении физики рекомендуется просматривать весь материал темы, чтобы составить о нем первоначальное представление.

Приступая впервые к работе над учебником, необходимо предварительно ознакомится с ним. Оглавление книги укажет на её содержание, предисловие и введение дадут представление о содержании книги, а беглый просмотр поможет узнать, какие в книге имеются таблицы, схемы, графики и другой иллюстративный материал.

При работе над книгой студенту необходимо выделять в тексте главное, разбираться в закономерностях, выводах формул. При чтении книги нужно внимательно рассматривать имеющийся в ней иллюстративный материал.

Закончив изучение темы, прежде чем переходить к следующей, следует ответить на вопросы и тесты по данной теме, помещенные в конце соответствующей главы и предназначенные для самопроверки приобретенных знаний.

Изучение материала учебника должно сопровождаться выполнением содержащихся в нем (или методических указаниях) упражнений и решением задач, относящихся к рассматриваемой теме.

В начале каждого учебного года студент–заочник должен выяснить, сколько контрольных работ по физики полагается выполнить. В случае каких- либо затруднений в самостоятельной работе студент всегда может обратиться за консультацией к преподавателю в письменной форме или устно.

Глава 12. Электростатика Электрическое поле. Закон сохранения заряда. Закон Кулона. Напряженность электрического поля. Принцип суперпозиции

Известно, что все тела в природе способны электризоваться, т.е. приобретать электрический заряд. Наличие электрического за­ряда проявляется в том, что заряженное тело взаимодействует с другими заряженными телами.

Янтарь, потертый о шерсть, способен притягивать легкие предметы. В конце XYI в. английский врач Джильберт подробно исследовал это явление и нашел, что аналогичным свойством обла­дают многие другие вещества. Тела, способные притягивать другие предметы, он назвал наэлектризованными (“электрон”- янтарь). Те­перь говорят, что на телах в таком состоянии имеются электриче­ские заряды, а сами тела называют заряженными.

Различают два вида электрических зарядов – положительные и отрицательные. Взаимодействие их проявляется в том, что одно­именные заряды отталкиваются, а разноименные притягиваются. Электрический заряд является неотъемлемым свойством элемен­тарных частиц. Заряд элементарных частиц (если он не равен 0), одинаков по абсолютной величине и его называют элементарным зарядом.

Известные элементарные частицы электрон (–), протон (+) и нейтрон (не несет заряда) являются основой атомов всех веществ и, таким образом, органически входят в состав всех тел. Обычно за­ряды разных знаков входят в тела в равных количествах, и тело бу­дет заряжено нейтрально. Если каким-либо способом создать избы­ток одного из зарядов, то тело окажется заряженным зарядом соот­ветствующего знака. Перераспределение зарядов по объему тела (например, через влияние) также позволяет сделать тело заряженным. Заряды могут попарно исчезать и образовываться (как например, при образовании пар), однако суммарный заряд электрически изолированной системы не может изменяться. Это утверждение носит название закона сохранения электрического заряда. Математически выражение закона: Электриче­ски изолированной называется такая система, если через ограничи­вающую ее поверхность не могут проникать заряженные частицы. В системе СИ электрический заряд измеряют в кулонах (Кл). Вели­чина элементарного электрического заряда равна 1,6·10^-19 Кл. Точечным зарядом называется заряженное тело, размерами которого можно пренебречь по сравнению с расстояниями до дру­гих заряженных тел.

Сила, с которой взаимодействуют точечные заряды, подчиняется закону Кулона.

Сила взаимодействия двух точечных зарядов прямо пропор­циональна величине этих зарядов Q_i и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Сила F- величина векторная; r - радиус-вектор, проведенный от одного заряда к другому и имею­щий направление к тому заряду, к которому приложена сила (рис.70).

Рис. 70

Кулоновская сила является центральной силой. Сила, зави­сящая от расстояния между взаимодействующими телами и направленная по прямой, соединяющей их центры масс называется центральной. Сила, действующая на заряд Q₂ со стороны заряда Q₁ равна силе, действующей на заряд Q₁ со стороны заряда Q₂ и противо­положна ей по направлению.

Входящие в формулу величины:

[Ф/м] – электрическая постоянная,

ε – диэлектрическая проницаемость среды, показывающая во сколько раз сила взаимодействия в данной среде ниже, чем в вакууме (величина безразмерная).

При исследовании взаимодействия возникает вопрос, почему появляются силы и как они передаются от одного заряда к другому?

Существовало два объяснения, как ответ на поставленные вопросы:

1. Телам присуще свойство действовать на другие тела на расстоянии без участия промежуточных тел или среды, т.е. через пустоту и притом мгновенно (теория дальнодействия). С этой точки зрения при наличии только одного заряда никаких изменений в окружающем пространстве не проис­ходит.

2. Силовые взаимодействия между телами могут переда­ваться только при наличии какой-либо среды, окружающей эти тела последовательно от одной части среды к другой, и с конечной скоростью (теория близкодействия). Даже при на­личии одного единственного заряда в окружающем про­странстве происходят определенные изменения.

Современная материалистическая физика основывается только на теории близкодействия. Если тело поставлено в такие условия, что в каждой точке пространства оно подвержено действию других тел с силой, закономерно изменяющейся от точки к точке, то говорят, что тело находится в поле сил. Когда в каком-либо месте появляется заряд, то вокруг этого заряда возникает электрическое поле. Основное свойство этого поля проявляется в том, что на всякий другой заряд, помещенный в поле действует сила. Электрическое поле ха­рактеризует электрическое действие зарядов, магнитное поле - магнитное взаимодействие движущихся зарядов (токов). Электрическое и магнитное поля могут превращаться друг в друга и каждое из них является частным случаем более общего электромагнитного поля.

Поле обладает энергией, импульсом, массой, т.е. является материальной субстанцией. Количественными характеристиками электрического поля слу­жат напряженность и потенциал. Пусть поле создано точечным зарядом Q. На пробный заряд Q₀ будет действовать сила, различная в разных точ­ках поля, и она будет зависеть от величины пробного заряда Q₀

Если же взять отношение F/Q₀, то оно уже не будет зави­сеть от величины пробного заряда, а будет характеризовать элек­трическое поле в той точке, где находится заряд

Напряженность электрического поля – это физическая вели­чина, численно равная силе, действующую на помещенный в дан­ную точку единичный положительный заряд и направленная в сто­рону действия силы.

Напряженность в векторном виде запишется

[В/м].

Направление вектора E выбирается по направлению действия силы. Напряженность электрического поля от нескольких точечных зарядов есть векторная сумма напряженностей полей, создаваемых отдельными зарядами:

Это равенство выражаетпринцип суперпозиции полей и представляет собой важное свойство электрического поля. Для графиче­ского изображения полей пользуются линиями напряженностей или силовыми линиями. Силовые линии выходят из положительного за­ряда и заканчиваются на отрицательном (рис.71).

Силовой линией электрического поля называют линию, для которой направление касательной к ней в любой точке совпадает с направлением вектора напряженности поля.

При наложении (суперпозиции) нескольких электрических полей расчет напряженности суммарного электрического поля про­изводится по следующей схеме. Пусть Е₁ - напряженность поля в точке А, создаваемая зарядом Q₁ (когда заряда Q₂ вовсе нет, т.е. в отсутствие вблизи точки А других зарядов), а Е₂ – напряженность поля заряда Q₂ (когда заряда Q₁ нет). Опыт показывает что напря­женность Е результирующего поля (при наличии обоих зарядов) может быть найдена по правилу сложения векторов. Или иначе, на­пряженность результирующего электрического поля есть векторная сумма напряженностей полей, создаваемых отдельными зарядами (рис. 72).

Правило векторного сложения напряжённостей электрических полей спра­ведливо для произвольного количества зарядов. Из принципа независимости действия сил, модуль напря­женности результирующего поля, создаваемого двумя зарядами, определяется по теореме косинусов

Е² = Е₁² + Е₂² + 2Е₁Е₂ cos α,

где α – угол между векторами Е₁ и Е₂.