Электродинамика Основы электростатики

Электрический заряд. Закон сохранения электрического заряда. Закон Кулона.

Электрическое поле. Напряженность электрического поля. Принцип суперпозиции полей.

Проводники в электрическом поле. Диэлектрики в электрическом поле. Диэлектрическая проницаемость веществ.

Работа электрического поля при перемещении заряда. Потенциал и разность потенциалов. Связь между напряжением и напряженностью однородного электрического поля.

Электроемкость. Конденсаторы. Электроемкость плоского конденсатора. Соединение конденсаторов.

Энергия электрического поля.

1. Электрический заряд. Закон сохранения электрического заряда. Закон Кулона.

Электрический заряд – скалярная физическая величина, характеризующая свойство тел или частиц вступать в электромагнитные взаимодействия и определяющая интенсивность этих взаимодействий

Существует два типа зарядов: положительные и отрицательные. Если тело имеет одинаковое количество разноименных зарядов, то оно электрически нейтрально – не заряжено. При избытке положительных зарядов тело заряжено положительно, избыток отрицательных зарядов ведет к отрицательно заряженному телу.

Способы электризации тел:

• трение;

• наведение;

• непосредственная передача заряда.

Существует наименьший заряд в природе – заряд электрона (отрицательный заряд), который называется элементарным зарядом: . Все остальные заряды кратны элементарному заряду , где N - число элементарных зарядов. Это означает, что заряд – дискретная величина.

Единица измерения заряда 1 кулон: . Ампер – единица измерения тока – основная единица в SI.

Электрический заряд – величина инвариантная, т.е. его значение одинаково во всех инерциальных системах отсчета.

Закон сохранения электрического заряда (фундаментальный физический закон): в электроизолированной замкнутой системе тел алгебраическая сумма зарядов остается постоянной:

Экспериментально обнаружено, что одно­именные заряды отталкиваются, а разноименные притягиваются.

Величина силы, с которой взаимодействуют заряды, была установлена в 1785 г. Шарлем Кулоном при помощи крутильных весов: сила электрического взаимодействия двух точечных неподвижных зарядов в вакууме пропорциональна произведению модулей этих зарядов, обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними и направлена по прямой, соединяющей эти заряды (кулоновские силы – центральные):

.

В системе SI: ;

– электрическая постоянная в системе SI, представляющая собой размерный множитель.

Если заряды находятся не в вакууме, а в диэлектрической среде, то сила взаимодействия зарядов уменьшится в ε раз, где ε – ди­электрическая проницаемость среды.

В общем случае закон Кулона имеет вид:

или – в векторной форме;

или – модуль силы Кулона.

Закон Кулона применим только для точечных зарядов, т.е. зарядов или заряженных тел, размеры которых малы по сравнению с расстоянием до других заряженных тел.

2. Электрическое поле. Напряженность электрического поля. Принцип суперпозиции полей.

Взаимодействие электрических зарядов осуществляется с помощью электрического поля.

Электрическое поле – одна из форм материи, существующая вокруг электрического заряда, с помощью которой происходит взаимодействие этих зарядов. Электрическое поле существует и действует на заряды независимо от того, движутся они или неподвижны.

Согласно существующей в современной физике теории близкодействия существует конечная скорость распространения электромагнитного поля – скорость света ( ).

Если заряды неподвижны, то электрическое поле называется электростaтическим.

Напряженность электрического поля (Е) – векторная физическая величина, характеризующая силовое действие электрического поля.

Напряженность электрического поля численно равна силе, действующей на единичный положительный точечный заряд ("пробный" заряд), помещенный в данную точку поля:

.

Вектор напряженности поля совпадает с направлением силы, действующей на пробный заряд т.е. если q > 0 , то вектор напряженности направлен от заряда, при q < 0 – к заряду.

Напряженность электрического поля равна единице ( ), если разность потенциалов между двумя точками на расстоянии 1 м в однородном поле равна 1 В: .

Электрическое поле называется однородным, если его напря­женность во всех точках одинакова и по модулю и по направлению.

Величина модуля вектора напряженности поля, создаваемая точечным зарядом q, равна:

или – в векторной форме;

или – модуль напряженности.

Принцип суперпозиции электрических полей: напряженность электрического поля системы зарядов равна векторной сумме напряженности полей, созданных каждым из этих зарядов в отдельности в данной точке пространства. Для N зарядов:

Графически электростатическое поле можно изобразить с помощью силовых линий.

Силовыми линиями (линиями напряженности) называют линии, касательные к которым в каждой точке совпадают с направлением вектора напряженности в этой точке поля.

Свойства линий напряженности:

1. они не замкнуты, начинаются на положительных, а закан­чиваются на отрицательных зарядах;

2. в пространстве между зарядами силовые линии не прерываются и не пересекаются;

3. линии напряженности перпендикулярны эквипотенциальным поверхностям (в том числе и поверхности проводника, на котором заряды находятся в равновесии);

4. п лотность линий напряженности пропорциональна величине Е .