Физика лекции / Электрический заряд

Электрический заряд – физическая величина, характеризующая способность тел вступать в электромагнитные взаимодействия. Измеряется в Кулонах.

Элементарный электрический заряд – минимальный заряд, который имеют элементарные частицы (заряд протона и электрона).

e = Кл

Тело имеет заряд, значит имеет лишние или недостающий электроны. Такой заряд обозначается q = ne. (он равен числу элементарных зарядов).

Наэлектризовать тело – создать избыток и недостаток электронов. Способы: электризация трением и электризация соприкосновением.

Точечный заряд – заряд тела, которое можно принять за материальную точку.

Пробный заряд () – точечный, малый по величине заряд, обязательно положительный – используется для исследования электрического поля.

Закон сохранения заряда: в изолированной системе алгебраическая сумма зарядов всех тел сохраняется постоянной при любых взаимодействиях этих тел между собой.

Закон Кулона: силы взаимодействия двух точечных зарядов пропорциональны произведению этих зарядов, обратно пропорциональны квадрату расстояния между ними, зависят от свойств среды и направлены вдоль прямой, соединяющей их центры.

, где Ф/м, Кл²/нм² – диэлектр. пост. вакуума

- относит. диэлектрическая проницаемость (>1)

- абсолютная диэлектрическая прониц. среды

Электрическое поле – материальная среда, через которую происходит взаимодействие электрических зарядов.

Свойства электрического поля:

1. Электрическое поле существует вокруг любого заряда. Если заряд неподвижен – поле электростатическое.

2. Электрическое поле действует на любой помещённый в него заряд согласно закону Кулона. Обнаружить электрическое поле можно только по его действию на другие заряды.

3. Электрическое поле существует в любой среде и распространяется с конечной скоростью: м/с.

4. Электрическое поле не имеет чётких границ. Действие его уменьшается при увеличении расстояния от заряда, его создающего.

Характеристики электрического поля:

1. Напряжённость (E) – векторная величина, равная силе, действующей на единичный пробный заряд, помещённый в данную точку.

Измеряется в Н/Кл.

Направление – такое же, как и у действующей силы.

Напряжённость не зависит ни от силы, ни от величины пробного заряда.

Суперпозиция электрических полей: напряжённость поля, созданного несколькими зарядами, равна векторной сумме напряжённостей полей каждого заряда:

Графически электронное поле изображают с помощью линий напряжённости.

Линия напряжённости – линия, касательная к которой в каждой точке совпадает с направлением вектора напряжённости.

Свойства линий напряжённости: они не пересекаются, через каждую точку можно провести лишь одну линию; они не замкнуты, выходят из положительного заряда и входят в отрицательный, либо рассеиваются в бесконечность.

Виды полей:

• Однородное электрическое поле – поле, вектор напряжённости которого в каждой точке одинаков по модулю и направлению.

+ -

+ -

+ -

+ -

• Неоднородное электрическое поле – поле, вектор напряжённости которого в каждой точке неодинаков по модулю и направлению.

• Постоянное электрическое поле – вектор напряжённости не изменяется.

• Непостоянное электрическое поле – вектор напряжённости изменяется.

2. Работа электрического поля по перемещению заряда.

, где F – сила, S – перемещение, - угол между F и S.

Для однородного поля: сила постоянна.

Работа не зависит от формы траектории; работа по перемещению по замкнутой траектории равна нулю.

Для неоднородного поля:

3. Потенциал электрического поля – отношение работы, которое совершает поле, перемещая пробный электрический заряд в бесконечность, к величине этого заряда.

- потенциал – энергетическая характеристика поля. Измеряется в Вольтах

Разность потенциалов:

Если , то

, значит

- градиент потенциала.

Для однородного поля: разность потенциалов – напряжение:

. Измеряется в Вольтах, приборы – вольтметры.

Электроёмкость – способность тел накапливать электрический заряд; отношение заряда к потенциалу, которое для данного проводника всегда постоянно.

.

Не зависит от заряда и не зависит от потенциала. Но зависит от размеров и формы проводника; от диэлектрических свойств среды.

, где r – размер, - проницаемость среды вокруг тела.

Электроёмкость увеличивается, если рядом находятся любые тела – проводники или диэлектрики.

Конденсатор – устройство для накопления заряда. Электроёмкость:

Плоский конденсатор – две металлические пластины, между которыми находится диэлектрик. Электроёмкость плоского конденсатора:

, где S – площадь пластин, d – расстояние между пластинами.

Энергия заряженного конденсатора равна работе, которую совершает электрическое поле при переносе заряда с одной пластины на другую.

Перенос малого заряда , напряжение измениться на , совершится работа . Так как , а С = const, . Тогда . Интегрируем:

Энергия электрического поля: , где V=Sl – объём, занимаемый электрическим полем

Для неоднородного поля: .

Объёмная плотность электрического поля: . Измеряется в Дж/м³.

Электрический диполь – система, состоящая из двух равных, но противоположных по знаку точечных электрических зарядов, расположенных на некотором расстоянии друг от друга (плечо диполя - l).

Основная характеристика диполя – дипольный момент – вектор, равный произведению заряда на плечо диполя, направленный от отрицательного заряда к положительному. Обозначается . Измеряется в Кулон-метрах.

Диполь в однородном электрическом поле.

На каждый из зарядов диполя действуют силы: и . Эти силы противоположно направлены и создают момент пары сил – вращающий момент: , где

М – вращающий момент F – силы, действующие на диполь

d – плечо сил l – плечо диполя

p – дипольный момент E – напряжённость

- угол между p и Е q – заряд

Под действием вращающего момента, диполь повернётся и установится по направлению линий напряжённости. Векторы p и Е будут параллельны и однонаправлены.

Диполь в неоднородном электрическом поле.

Вращающий момент есть, значит диполь повернётся. Но силы будут неравны, и диполь будет двигаться туда, где сила больше.

- градиент напряжённости. Чем выше градиент напряжённости, тем выше боковая сила, которая стаскивает диполь. Диполь ориентируется вдоль силовых линий.

Собственное поле диполя.

Но . Тогда:

.

Пусть диполь находится в точке О, а его плечо мало. Тогда:

.

Формула получена с учётом:

Таким образом разность потенциалов зависит от синуса половинного угла, под которым видны точки диполя, и проекции дипольного момента на прямую, соединяющие эти точки.

Диэлектрики в электрическом поле.

Диэлектрик – вещество, не имеющее свободных зарядов, а значит и не проводящее электрический ток. Однако на самом же деле проводимость существует, но она ничтожно мала.

Классы диэлектриков:

• с полярными молекулами (вода, нитробензол): молекулы не симметричны, центры масс положительных и отрицательных зарядов не совпадают, а значит, они обладают дипольным моментом даже в случае, когда электрического поля нет.

• с неполярными молекулами (водород, кислород): молекулы симметричны, центры масс положительных и отрицательных зарядов совпадают, а значит, они не имеют дипольного момента при отсутствии электрического поля.

• кристаллические (хлорид натрия): совокупность двух подрешёток, одна из которых заряжен положительно, а другая – отрицательно; в отсутствии электрического поля суммарный дипольный момент равен нулю.

Поляризация – процесс пространственного разделения зарядов, появления связанных зарядов на поверхности диэлектрика, что приводит к ослаблению поля внутри диэлектрика.

Способы поляризации:

1 способ – электрохимическая поляризация:

На электродах – движение к ним катионов и анионов, нейтрализация веществ; образуются области положительных и отрицательных зарядов. Ток постепенно уменьшается. Скорость установления механизма нейтрализации характеризуется временем релаксации – это время, в течение которого ЭДС поляризации увеличится от 0 до максимума от момента наложения поля. = 10^-3-10^-2 с.

2 способ – ориентационная поляризация:

На поверхности диэлектрика образуются некомпенсированные полярные, т.е. происходит явление поляризации. Напряжённость внутри диэлектрика меньше внешней напряжённости. Время релаксации: = 10^-13-10^-7 с. Частота 10 МГц.

3 способ – электронная поляризация:

Характерна для неполярных молекул, которые становятся диполями. Время релаксации: = 10^-16-10^-14 с. Частота 10⁸ МГц.

4 способ – ионная поляризация:

Две решётки (Na и Cl) смещаются относительно друг друга.

Время релаксации: =10^-8-10^-3с. Частота 1 КГц

5 способ – микроструктурная поляризация:

Характерен для биологических структур, когда чередуются заряженные и незаряженные слои. Происходит перераспределение ионов на полупроницаемых или непроницаемых для ионов перегородках.

Время релаксации: =10^-8-10^-3с. Частота 1 КГц

Числовые характеристики степени поляризации:

1. вектор поляризованности . Измеряется в Кл/л

2. относительная диэлектрическая проницаемость раз

3. Дисперсия – зависимость от частоты.

Электрический ток – это упорядоченное движение свободных зарядов в веществе или в вакууме.

Условия существования электрического тока:

1. наличие свободных зарядов

2. наличие электрического поля, т.е. сил, действующих на эти заряды

Сила тока – величина, равная заряду, который проходит через любое поперечное сечение проводника за единицу времени (1 секунду)

Измеряется в Амперах.

n – концентрация зарядов

q – величина заряда

S – площадь поперечного сечения проводника

- скорость направленного движения частиц.

Скорость движения заряженных частиц в электрическом поле небольшая – 7*10^-5 м/с, скорость распространения электрического поля 3*10⁸ м/с.

Плотность тока – величина заряда, проходящего за 1 секунду через сечение в 1 м².

. Измеряется в А/м².

- сила, действующая на ион со стороны эл поля равна силе трения

- подвижность ионов

- скорость направленного движения ионов =подвижность, напряжённость поля

Удельная проводимость электролита тем больше, чем больше концентрация ионов, их заряд и подвижность. При повышении температуры возрастает подвижность ионов и увеличивается электропроводность.