1.Электростатика — раздел учения об электричестве, изучающий взаимодействие неподвижных электрических зарядов.

Между одноимённо заряженными телами возникает электростатическое (или кулоновское) отталкивание, а между разноимённо заряженными — электростатическое притяжение. Явление отталкивания одноименных зарядов лежит в основе создания электроскопа — прибора для обнаружения электрических зарядов.

В основе электростатики лежит закон Кулона. Этот закон описывает взаимодействие точечных электрических зарядов.

Теорема Гаусса - утверждение:

Поток вектора напряженности электростатического поля в вакууме сквозь произвольную замкнутую поверхность равен алгебраической сумме заключенных внутри этой поверхности зарядов, деленной на ε_0.

2.Электрический заряд - это физическая величина, определяющая интенсивность электромагнитных взаимодействий.

Единица заряда - [q] кулон.

Свойства электрического заряда :

1. Электрический заряд не является знакоопределенной величиной, существуют как положительные, так и отрицательные заряды.

2. Электричесий заряд - величина инвариантная. Он не изменяется при движении носителя заряда.

3. Электричесий заряд аддитивен.

4. Электричесий заряд кратен элементарному. q = Ne. Это свойство заряда называется квантованностью.

5. Суммарный электричесий заряд всякой изолированной системы сохраняется. Это свойство есть закон сохранения электрического заряда.

 

Закон сохранения электрического заряда - электрические заряды не создаются и не исчезают, а только передаются от одного тела к другому или перераспределяются внутри тела.

Электрические заряды взаимодействуют между собой, т.е. одноименные заряды взаимно отталкиваются, а разноименные при­тягиваются. Силы взаимодействия электрических зарядов определяются законом Кулона и направлены по прямой линии, соединяю­щей точки, в которых сосредоточены заряды.

Согласно закону Кулона, сила взаимодействия двух точечных электрических зарядов прямо пропорциональна произведению количеств электричества в этих зарядах, обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними и зависит от среды, в которой находятся заряды:

3.Электрическое поле — одна из составляющих электромагнитного поля; особый вид материи, существующий вокруг тел или частиц, обладающихэлектрическим зарядом, а также при изменении магнитного поля (например, в электромагнитных волнах). Электрическое поле непосредственно невидимо, но может быть обнаружено благодаря его силовому воздействию на заряженные тела.

Для количественного определения электрического поля вводится силовая характеристика — напряжённость электрического поля — векторнаяфизическая величина, равная отношению силы, с которой поле действует на положительный пробный заряд, помещённый в данную точку пространства, к величине этого заряда. Направление вектора напряженности совпадает в каждой точке пространства с направлением силы, действующей на положительный пробный заряд.

Электрический диполь — система двух равных по модулю разноименных точечных зарядов ( ), расстояние   между которыми значительно меньше расстояния до рассматриваемых точек поля. Плечо диполя — вектор  , направленный по оси диполя (прямой, проходящей через оба заряда) от отрицательного заряда к положительному и равный расстоянию между зарядами. Электрический момент диполя (дипольный момент): . Напряженность поля диполя в произвольной точке (согласно принципу суперпозиции): где   и   — напряженности полей, создаваемых соответственно положительным и отрицательным зарядами.

4.Потенциал является энергетической характеристикой поля. Он численно равен работе, которую надо затратить против сил электрического поля при перенесении единичного положительного точечного заряда из бесконечности в данную точку поля. Единица измерения потенциала - вольт. С учетом (1.16)

Когда поле образовано несколькими произвольно расположенными зарядами   , потенциал его   в данной точке равен алгебраической сумме потенциалов   , создаваемых каждым зарядом в отдельности, т.е.

Если из точки “а” в точку “b” электрического поля перемещается заряд q’, то при этом совершается работа против электрических сил, равная

где   и   - потенциалы поля в точках “а” и ” b”.

В СИ за единицу разности потенциалов принимают Вольт (В), Разность потенциалов между двумя точками поля равна одному Вольту, если для перемещения между ними заряда в один Кулон нужно совершить работу в один Джоуль

5.Определим поток напряжённости поля электрических зарядов через некоторую замкнутую поверхность, окружающую эти заряды. Рассмотрим сначала случай сферической поверхности радиуса R, окружающей один заряд, находящийся в ее центре (рис. 13.6).   Напряженность поля по всей сфере одинакова и равна

Силовые линии направлены по радиусам, т.е. перпендикулярны поверхности сферы   , следовательно

т.к.    Тогда поток напряженности   будет равен

Используя формулу напряжённости, находим

Окружим теперь сферу произвольной замкнутой поверхностью S’. Каждая силовая линия, пронизывающая сферу, пронижет и эту поверхность. Следовательно формула (13.6) справедлива не только для сферы, но и для любой замкнутой поверхности. Если произвольной поверхностью окружаем n зарядов, то очевидно, что поток напряженности через эту поверхность равен сумме потоков, создаваемых каждым из зарядов, т.е.

или

Таким образом, полный поток вектора напряженности электростатического поля через замкнутую поверхность произвольной формы численно равен алгебраической сумме свободных электрических зарядов, заключенных внутри этой поверхности, поделенной на   . Это положение называется теоремой Остроградского - Гаусса. С помощью этой теоремы можно определить напряженность полей, создаваемых заряженными телами различной формы.

Итак, на примерах мы показали, что, если силовые линии однородного электрического поля напряженностью   пронизывают некоторую площадку S, то поток вектора напряженности (раньше мы называли число силовых линий через площадку) будет определяться формулой:

 Полное число силовых линий, проходящих через поверхность S называется потоком вектора напряженности Ф_Е через эту поверхность.

       В векторной форме можно записать   – скалярное произведение двух векторов, где вектор  .

       Таким образом, поток вектора   есть скаляр, который в зависимости от величины угла α может быть как положительным, так и отрицательным.

поток вектора напряженности зависит от заряда. В этом смысл теоремы Остроградского-Гаусса.

6.Проводники в электростатическом поле

Электростатическое поле - эл.поле, образованное неподвижными электрическими зарядами. Свободные электроны - электроны, способные свободно перемещаться внутри проводника ( в основном в металлах) под действием эл. поля; Свободные электроны возникают при образовании металлов: электроны с внешних оболочек атомов утрачивают связи с ядрами и начинают принадлежать всему проводнику;

- участвуют в тепловом движении и могут свободно перемещаться по всему проводнику. Электростатическое поле внутри проводника - внутри проводника электростатического поля нет ( Е = 0 ), что справедливо для заряженного проводника и для незаряженного проводника, внесенного во внешнее электростатическое поле.  Почему? - т.к. существует явление электростатической индукции, т.е.  явление разделения зарядов в проводнике, внесенном в электростатическое поле ( Евнешнее) с образованием нового электростатического поля ( Евнутр.) внутри проводника.

Электрический заряд проводников - весь статический заряд проводника расположен на его поверхности, внутри проводника q = 0; - справедливо для заряженных и незаряженных проводников в эл.поле. Линии напряженности эл.поля в любой точке поверхности проводника перпендикулярны этой поверхности.

Внутри диэлектрика может существовать электрическое поле!

Электрические свойства нейтральных атомов и молекул: Нейтральный атом -положительный заряд ( ядро) сосредоточен в центре; - отрицательный заряд - электронная оболочка;  считается, что из-за большой скорости движения электронов по орбитам центр распределения отрицательного заряда совпадает с центром атома. Молекула - чаще всего - это система ионов с зарядами противоположных знаков , т.к. внешние электроны слабо связаны с ядрами и могут переходить к другим атомам. Электрический диполь - молекула, в целом нейтральная , но центры распределения противоположных по знаку зарядов разнесены; рассматривается, как совокупность двух точечных зарядов, равных по модулю и противоположных по знаку, находящихся внутри молекулы на некотором расстоянии друг от друга. Существуют 2 вида диэлектриков ( различаются строением молекул) : 1) полярные - молекулы, у которых центры положительного и отрицательного зарядов не совпадают ( спирты, вода и др.);

2) неполярные - атомы и молекулы, у которых центры распределения зарядов совпадают (инертные газы, кислород, водород, полиэтилен и др.).

Различают следующие виды поляризации.

1)Электронная или деформационная поляризация диэлектрика с неполярными молекулами, заключающаяся в возникновении у атомов индуцированного дипольного момента за счет деформации электронных орбит;

2)Ориентационная или дипольная поляризация диэлектрика с полярными молекулами, заключающаяся в ориентации имеющихся дипольных моментов молекул по полю. Естественно, чтотепловое движение препятствует полной ориентации молекул, но в результате совместного действия обоих факторов (электрическое поле и тепловое движение) возникает преимущественная ориентация дипольных моментов молекул по полю. Эта ориентация тем сильнее, чем больше напряженность электрического поля и ниже температура.

3)Ионная поляризация диэлектриков с ионными кристаллическими решетками, заключающаяся в смещении подрешетки положительных ионов вдоль поля, а отрицательных – против поля, приводящем к возникновению дипольных моментов.

ПОЛЯРИЗАЦИЯ ДИЭЛЕКТРИКОВ В ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ ПОЛЕ

- смещение положительного и отрицательного зарядов в противоположные стороны, т.е.ориентация молекул.

Поляризация полярных диэлектриков Диэлектрик вне эл.поля - в результате теплового движения электрические диполи ориентированы беспорядочно на поверхности и внутри диэлектрика. q = 0 и Eвнутр = 0 Диэлектрик в однородном эл.поле - на диполи действуют силы, создают моменты сил и поворачивают диполи вдоль силовых линий эл.поля.

НО ориентация диполей - только частичная, т.к. мешает тепловое движение. На поверхности диэлектрика возникают связанные заряды, а внутри диэлектрика заряды диполей компенсируют друг друга. Таким образом, средний связанный заряд диэлектрика = 0. Поляризация неполярных диэлектриков - тоже поляризуются в эл.поле: положительные и отрицательные заряды молекул смещаются,центры распределения зарядов перестают совпадать (как диполи), на поверхности диэлектрика возникает связанный заряд, а внутри эл.поле лишь ослабляется.

Ослабление поля зависит от свойств диэлектрика.

7.Сегнетоэлектриками называются вещества, обладающие спонтанной электрической поляризацией, которая может быть обращена приложением электрического поля E подходящей величены и определенного направления. Этот процесс, называемый переполяризацией, сопровождается диэлектрическим гистерезисом. Сегнетоэлектрики во многих отношениях являются электрическим аналогами ферромагнетиков, в которых намагниченность I может быть обращена магнитным полем H. Однако по своей микроскопической природе сегнетоэлектрики и ферромагнетики совершенно различны.

Сегнетоэлектрики отличаются большой диэлектрической проницаемостью, высоким пьезомодулем, наличием петли диэлектрического гистерезиса, интересными электрооптическими свойствами, и поэтому широко применяется во многих областях современной техники: радиотехнике, электроакустике, квантовой электронике и измерительной технике.

Сегнетоэлектрики обладают интересными электрическими свойствами; во многих твердых телах силы связи носят главным образом электрический характер, и тот факт, что в сегнетоэлектриках эти силы могут проявляется весьма ярко, существенно облегчает их изучение.