Электростатическое поле и его напряженность



Министерство образования и науки Российской Федерации

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Уфимский государственный нефтяной технический университет»

Кафедра физики

 

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

для самостоятельной работы студентов по физике

часть 2  «Электростатика. Постоянный ток»

 

2011

Учебное пособие для самостоятельной работы (СРС) студентов по разделу «Электростатика. Постоянный ток» состоит из следующих структурных элементов:   

1. Информационная часть (теория), то есть структурированный теоретический материал с выделением элементов знания.

2. Контрольные вопросы первого уровня для проверки усвоения теоретического материала.

3. Примеры решения задач для выработки у студентов навыков по практическому применению информационной части.

4. Контрольные вопросы второго уровня (сборник задач) для проверки в решении задач.

5. Контрольные вопросы третьего уровня в тестовом виде для проверки остаточных знаний.

6. Справочник с фундаментальными постоянными.

 

Предназначено для студентов очной формы обучения всех специальностей.

 

 

Составители: Шестакова Р.Г., доц., канд. хим. наук

                   Бочкор С.А., доц., канд. хим. наук

Рецензент:  Мукаева Г.Р., доц., канд. техн. наук

 

 

© Уфимский государственный нефтяной технический университет, 2011

ЭЛЕКТРОСТАТИКА

Электростатика изучает взаимодействия и свойства неподвижных электрических зарядов.

Электрические заряды. Закон сохранения электрического заряда

    Уже в VII веке до нашей эры древнегреческий ученый Ф. Милетский описал способность янтарной палочки, натертой шелком, притягивать легкие предметы. В конце XIV в. английский врач и физик У. Гильберт заинтересовался этим явлением и обнаружил аналогичные свойства у стекла, фарфора и многих других тел, предварительно натертых кожей, сукном и прочими мягкими материалами. Это явление Гильберт назвал электризацией. Электризация бывает положительной (которую приобретает стекло, натертое кожей) и отрицательной (которую приобре­тает кожа). Таким образом, при электризации тел трением, оба тела элек­тризуются, т.е. приобретают заряды, равные по величине и противоположные по знаку.

    Явление электризации тел долгое время не могло быть объяснено. Только в 1881 г. немецким физиком Г. Гельмгольцем была высказана гипотеза, объясняющая электрические явления существованием электрически заряженных элементарных частиц. Эта гипотеза была подтверждена в 1897 г. английским физиком Д. Томсоном открытием электрона и в 1919 г. английским физиком Э. Резерфордом открытием протона. Масса электрона me=9.11×10-31 кг, его заряд e = -1.6×10-19 Кл. Масса протона mp=1.6710-27 кг, его заряд e= +1.6×10-19 Кл (в системе единиц СИ единица заряда называется Кулон в честь английского ученого Кулона и обозначается 1Кл). Опытным путем (1910-1914 гг.) американский физик Р. Милликен доказал дискретность электрических зарядов: заряд любого тела равен целому числу элементарных зарядов. Носителем элементарного отрицательного заряда является электрон, положительного - протон. В незаряженном теле число положительных и отрицательных элементарных зарядов одинаково, в заряженном теле - различно. Английский физик М. Фарадей при обобщении опытных данных установил фундаментальный закон природы - закон сохранения заряда: алгебраичес­кая сумма электрических зарядов любой электрически замкнутой системы остается неизменной, какие бы процессы в ней не происходили. Электрически замкнутой является система, не обменивающаяся зарядами с внешними телами. Позднее было обнаружено, что величина электрического заряда не зависит от системы отсчета, от того - движется заряд или покоится. Следовательно, заряд - релятивистки инвариантная величина.

    В зависимости от концентрации свободных зарядов все тела делятся на про­водники, диэлектрики и полупроводники.

К проводникамотносятся вещества, в которых свободные электрические заряды перемещаются свободно по всему объему. Это металлы, электролиты и плазма. Проводники делятся на две группы. В проводниках первого рода (металлах) перенос зарядов (свободных элек­тронов) не сопровождается химическими изменениями самих проводников. В проводниках второго рода (электролитах, расплавах солей) перемещение положительных и отрицательных ионов ведет к химическим изменениям в самих проводниках.

Диэлектрики- это вещества, в которых практически отсутствуют свободные заряды. Они не проводят электрический ток. К диэлектрикам относятся: стекло, янтарь, каучук, сера, пластмассы, эбонит, газы при комнатной температуре.

Полупроводники (германий, кремний, селен, графит и др.) по своим свойствам занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. Их свойства в значительной мере зависят от внешних условий, главным образом, от температуры.

Закон Кулона

Закон взаимодействия неподвижных точечных электрических зарядов экспериментально был открыт французским физиком Ш. Кулоном в 1785 г. Точечный заряд, как и материальная точка, является физической

Рисунок 1.1- Силы куло­нов­ского взаимодей­ст­вия зарядов.  
абстракцией. Если линейные размеры заряженного тела пренебрежимо малы по сравнению с рас­стоянием до других заряженных тел, то его можно считатьточечным.

Закон Кулона: сила электростатического взаимодействия двух точечных зарядов q1 и q2 в вакууме прямо пропорциональна произведению этих зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния r между ними.

    Кулон установил, что силы данной природы - центральные, т.е. они направлены вдоль прямой, соединяющей взаимодействующие заряды. Согласно третьему закону Ньютона силы направлены в противоположные стороны и равны по величине F12= F21.  Если заряды q1 и q2 одноименные по знаку, то силы отталкивают заряды; если они разноименные, то заряды притягиваются (рис.1.1). Если заряды поместить в среду (керосин, масло), то эта сила уменьшится в e раз. Она называется относительной диэлектрической проницаемостью среды, e>0. Для воздуха и вакуума e=1. В системе единиц СИ закон Кулона записывается для модуля силы Кулона   и для вектора силы , где e0=8.85×10-12 Кл2/(Н×м2) называется электрической постоянной.

        

 

 

Электростатическое поле и его напряженность

 

    Электрические заряды, находясь, даже на большом расстоянии друг от друга, взаимодействуют между собой. Такое взаимодействие может осущест­вляться только посредством поля, в данном случае - электрического. Каждое заряженное тело окружено таким полем. Если заряженное тело неподвижно, то окружающее его поле называется электростатическим.

    Пусть в некоторой точке поля, созданного зарядом q, находится малый точечный положительный заряд q0 - так называемый «пробный заряд». Пробный заряд должен быть малым, чтобы его собственное поле не искажало поле заряда q. На заряд q0 будет действовать сила F, пропорциональная величине заряда q0. Сила F не может быть характеристикой поля в данной точке, поскольку она зависит от величины самого заряда и меняется при изменении заряда. Поэтому силовой характеристикой поля для данной точки является отношение F/q0, которое называется напряженностью электрического поля . Вектор  численно равен силе, действующей на единичный положительный заряд, помещенный в данную точку поля и направлен в сторону действия силы . Так как,  согласно закону Кулона , то для поля одиночного заряда q получим  или в векторной форме , где  - радиус-вектор, соединяющий q с q0. Единицей напряженности электрического поля является 1Н/Кл или, как будет показано далее, 1В/м (Вольт на метр).

Силовое воздействие электростатического поля на заряженные частицы широко применяется в различных технологических процессах. В горной, газовой и других отраслях промышленности широко применяется электросепарирование - разделение твердых или жидких смесей в элек­тростатическом поле.


Дата добавления: 2018-04-05; просмотров: 434; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:






Мы поможем в написании ваших работ!