Definiția 1
Electrostatica este o ramură extinsă a electrodinamicii care studiază și descrie corpurile încărcate electric în repaus într-un anumit sistem.
În practică, există două tipuri de sarcini electrostatice: pozitive (sticlă pe mătase) și negative (cauciuc dur pe lână). Sarcina elementară este taxa minimă ($e = 1,6 ∙10^( -19)$ C). Sarcina oricărui corp fizic este un multiplu al unui număr întreg de sarcini elementare: $q = Ne$.
Electrificarea corpurilor materiale este redistribuirea sarcinii între corpuri. Metode de electrificare: atingere, frecare și influență.
Legea conservării sarcinii electrice pozitive - într-un concept închis, suma algebrică a sarcinilor tuturor particulelor elementare rămâne stabilă și neschimbată. $q_1 + q _2 + q _3 + …..+ q_n = const$. În acest caz, sarcina de testare este o sarcină pozitivă punctuală.
legea lui Coulomb
Această lege a fost stabilită experimental în 1785. Conform acestei teorii, forța de interacțiune între două sarcini punctiforme aflate în repaus într-un mediu este întotdeauna direct proporțională cu produsul modulelor pozitive și invers proporțională cu pătratul. distanta totalaîntre ei.
Un câmp electric este un tip unic de materie care interacționează între sarcini electrice stabile, se formează în jurul sarcinilor și afectează numai sarcinile.
Acest proces de elemente staționare punctuale se supune complet celei de-a treia legi a lui Newton și este considerat rezultatul respingerii particulelor cu forțe egale de atracție una față de alta. Relația dintre sarcinile electrice stabile în electrostatică se numește interacțiune Coulomb.
Legea lui Coulomb este complet corectă și precisă pentru corpuri materiale încărcate, bile și sfere încărcate uniform. În acest caz, distanțele sunt considerate în principal parametri ai centrelor spațiilor. În practică, această lege este bine și rapid îndeplinită dacă dimensiunile corpurilor încărcate sunt mult mai mici decât distanța dintre ele.
Nota 1
Conductorii și dielectricii acționează, de asemenea, într-un câmp electric.
Primele reprezintă substanțe care conțin purtători liberi de sarcină electromagnetică. Mișcarea liberă a electronilor poate avea loc în interiorul conductorului. Aceste elemente includ soluții, metale și diverse topituri de electroliți, gaze ideale și plasmă.
Dielectricii sunt substanțe în care nu pot exista purtători liberi sarcina electrica. Mișcarea liberă a electronilor în interiorul dielectricilor înșiși este imposibilă, deoarece nu există flux prin ei. curent electric. Aceste particule fizice au o permeabilitate care nu este egală cu unitatea dielectrică.
Linii electrice și electrostatică
Liniile de forță ale intensității câmpului electric inițial sunt linii continue, punctele tangente la care în fiecare mediu prin care trec coincid complet cu axa de tensiune.
Principalele caracteristici ale liniilor electrice:
- nu se intersectează;
- neînchis;
- stabil;
- direcția finală coincide cu direcția vectorului;
- începe la $+ q$ sau la infinit, se termină la $– q$;
- se formează lângă sarcini (unde tensiunea este mai mare);
- perpendicular pe suprafața conductorului principal.
Definiția 2
Diferenţă potenţiale electrice sau tensiunea (Ф sau $U$) este mărimea potențialelor în punctele inițiale și finale ale traiectoriei unei sarcini pozitive. Cu cât potenţialul se modifică de-a lungul segmentului de cale, cu atât intensitatea câmpului rezultată este mai mică.
Intensitatea câmpului electric este întotdeauna îndreptată spre scăderea potențialului inițial.
Figura 2. Energia potențială a unui sistem de sarcini electrice. Autor24 - schimb online de lucrări ale studenților
Capacitatea electrică caracterizează capacitatea oricărui conductor de a acumula sarcina electrică necesară pe propria suprafață.
Acest parametru nu depinde de sarcina electrică, dar poate fi afectat de dimensiunile geometrice ale conductorilor, formele acestora, locația și proprietățile mediului dintre elemente.
Un condensator este un dispozitiv electric universal care ajută la acumularea rapidă a sarcinii electrice pentru eliberarea într-un circuit.
Câmpul electric și intensitatea acestuia
De idei moderne Oamenii de știință, sarcinile electrice stabile nu se afectează direct reciproc. Fiecare corp fizic încărcat în electrostatică creează mediu câmp electric. Acest proces exercită o forță asupra altor substanțe încărcate. Proprietatea principală a câmpului electric este acțiunea sa asupra sarcinilor punctuale cu o anumită forță. Astfel, interacțiunea particulelor încărcate pozitiv are loc prin câmpurile care înconjoară elementele încărcate.
Acest fenomen poate fi studiat folosind așa-numita sarcină de testare - o mică sarcină electrică care nu redistribuie semnificativ sarcinile studiate. Pentru a identifica cantitativ câmpul, este introdusă o caracteristică de putere - puterea câmpului electric.
Tensiunea este un indicator fizic care este egal cu raportul dintre forța cu care câmpul acționează asupra unei sarcini de testare plasate într-un punct dat al câmpului și mărimea sarcinii în sine.
Intensitatea câmpului electric este o mărime fizică vectorială. Direcția vectorului în acest caz coincide în fiecare punct material din spațiul înconjurător cu direcția forței care acționează asupra sarcinii pozitive. Câmpul electric al elementelor care nu se modifică în timp și nu se mișcă este considerat electrostatic.
Pentru a înțelege câmpul electric se folosesc linii de forță, care sunt trasate în așa fel încât direcția axa principală tensiunea din fiecare sistem a coincis cu direcția tangentei la punct.
Diferență de potențial în electrostatică
Câmpul electrostatic include o proprietate importantă: munca efectuată de forțele tuturor particulelor în mișcare atunci când se deplasează o sarcină punctiformă dintr-un punct al câmpului în altul nu depinde de direcția traiectoriei, ci este determinată numai de poziția liniile inițiale și finale și parametrul de încărcare.
Rezultatul independenței muncii față de forma mișcării sarcinilor este următoarea afirmație: funcționalitatea forțelor câmp electrostatic la conversia sarcinii de-a lungul oricărei traiectorii închise, aceasta este întotdeauna egală cu zero.
Figura 4. Potențial de câmp electrostatic. Autor24 - schimb online de lucrări ale studenților
Proprietatea de potențialitate a câmpului electrostatic ajută la introducerea conceptului de potențial și energie internăîncărca. Iar parametrul fizic, egal cu raportul dintre energia potențială din câmp și valoarea acestei sarcini, se numește potențial constant al câmpului electric.
În multe sarcini complexe electrostatica la determinarea potentialelor dincolo de referinta punct material, unde magnitudinea energiei potențiale și potențialul în sine dispar, este convenabil să folosiți punctul de la infinit. În acest caz, semnificația potențialului este determinată după cum urmează: potențialul câmpului electric în orice punct al spațiului este egal cu munca pe care o efectuează forțele interne atunci când îndepărtează o sarcină unitară pozitivă dintr-un sistem dat la infinit.
Conductivitate electrică
Rezistenta electrica
Impedanta electrica
Electrostatică- o secțiune a studiului energiei electrice care studiază interacțiunea sarcinilor electrice staționare.
Între cu acelasi nume corpuri încărcate, apare repulsia electrostatică (sau Coulomb) și între nume diferiteîncărcat – atracție electrostatică. Fenomenul de respingere a sarcinilor similare stă la baza creării unui electroscop - un dispozitiv pentru detectarea sarcinilor electrice.
Electrostatica se bazează pe legea lui Coulomb. Această lege descrie interacțiunea sarcinilor electrice punctuale.
Poveste
Bazele electrostaticii au fost puse de munca lui Coulomb (deși cu zece ani înaintea lui, aceleași rezultate, chiar și cu o acuratețe și mai mare, au fost obținute de Cavendish. Rezultatele lucrării lui Cavendish au fost stocate în arhiva familieiși au fost publicate doar o sută de ani mai târziu); legea interacțiunilor electrice descoperită de acesta din urmă a făcut posibil ca Green, Gauss și Poisson să creeze o teorie elegantă din punct de vedere matematic. Cea mai esențială parte a electrostaticei este teoria potențialului, creată de Green și Gauss. Multe cercetări experimentale despre electrostatică au fost efectuate de Rees, ale cărui cărți au constituit în trecut ghidul principal pentru studiul acestor fenomene.
Permitivitatea
Găsirea valorii coeficientului dielectric K al oricărei substanțe, un coeficient inclus în aproape toate formulele cu care trebuie să ne ocupăm în electrostatică, se poate face destul de mult. în diverse moduri. Cele mai frecvent utilizate metode sunt următoarele.
1) Comparația capacităților electrice a două condensatoare având aceeași dimensiune și formă, dar în unul dintre care stratul izolator este un strat de aer, în celălalt - un strat al dielectricului testat.
2) Compararea atracțiilor dintre suprafețele unui condensator, atunci când acestor suprafețe le este conferită o anumită diferență de potențial, dar într-un caz există aer între ele (forță de atracție = F 0), în celălalt caz, izolatorul lichid de testare ( forta de atractie = F). Coeficientul dielectric se găsește prin formula:
3) Observații ale undelor electrice (vezi Vibrații electrice) care se propagă de-a lungul firelor. Conform teoriei lui Maxwell, viteza de propagare a undelor electrice de-a lungul firelor este exprimată prin formula
în care K reprezintă coeficientul dielectric al mediului care înconjoară firul, μ reprezintă permeabilitatea magnetică a acestui mediu. Putem pune μ = 1 pentru marea majoritate a corpurilor și, prin urmare, se dovedește
De obicei, se compară lungimile undelor electrice staționare care apar în părțile aceluiași fir care se află în aer și în dielectricul (lichid) de testare. După ce au determinat aceste lungimi λ 0 și λ, obținem K = λ 0 2 / λ 2. Conform teoriei lui Maxwell, rezultă că atunci când un câmp electric este excitat în orice substanță izolatoare, în interiorul acestei substanțe apar deformații speciale. De-a lungul tuburilor de inducție, mediul izolator este polarizat. În ea apar deplasări electrice, care pot fi asemănate cu mișcările electricității pozitive de-a lungul axelor acestor tuburi și prin fiecare secţiune transversală cantitatea de electricitate care trece prin tub este egală cu
Teoria lui Maxwell face posibilă găsirea unor expresii pentru acestea forțe interne(forțe de tensiune și presiune), care apar în dielectrici atunci când un câmp electric este excitat în ei. Această întrebare a fost luată în considerare mai întâi de Maxwell însuși, iar mai târziu în detaliu de către Helmholtz. Dezvoltarea ulterioară a teoriei acestei probleme și a teoriei strâns legate de electrostricție (adică o teorie care ia în considerare fenomenele care depind de apariția unor tensiuni speciale în dielectrici atunci când un câmp electric este excitat în ele) aparține lucrărilor lui Lorberg, Kirchhoff, P. Duhem, N. N. Schiller și alții
Condiții de limită
Să terminăm rezumat Cea mai semnificativă parte a departamentului de electrostricție este luarea în considerare a problemei refracției tuburilor de inducție. Să ne imaginăm doi dielectrici într-un câmp electric, despărțiți unul de celălalt printr-o suprafață S, cu coeficienți dielectrici K 1 și K 2.
Fie că în punctele P 1 și P 2 situate infinit aproape de suprafața S de fiecare parte a acesteia, mărimile potențialelor sunt exprimate prin V 1 și V 2 , iar mărimile forțelor experimentate de o unitate de electricitate pozitivă sunt plasate la aceste puncte prin F 1 și F 2. Atunci, pentru un punct P situat pe suprafața S însăși, trebuie să existe V 1 = V 2,
dacă ds reprezintă o deplasare infinitezimală de-a lungul liniei de intersecție a planului tangent la suprafața S în punctul P cu planul care trece prin normala la suprafață în acest punct și prin direcția forței electrice din acesta. Pe de altă parte, ar trebui să fie
Să notăm cu ε 2 unghiul făcut de forța F2 cu normala n2 (în interiorul celui de-al doilea dielectric), iar cu ε 1 unghiul făcut de forța F 1 cu aceeași normală n 2 Apoi, folosind formulele (31) și (30), găsim
Deci, pe suprafața care separă doi dielectrici unul de celălalt, forța electrică suferă o schimbare în direcția sa, ca o rază de lumină care intră dintr-un mediu în altul. Această consecință a teoriei este justificată de experiență.
Vezi de asemenea
- Descărcări electrostatice
Literatură
- Landau, L. D., Lifshits, E. M. Teoria câmpului. - ediția a VII-a, revizuită. - M.: Nauka, 1988. - 512 p. - („Fizica teoretică”, volumul II). - ISBN 5-02-014420-7
- Matveev A.N. Electricitate și magnetism. M.: facultate, 1983.
- Tunel M.-A. Fundamentele electromagnetismului și teoria relativității. Pe. de la fr. M.: Literatură străină, 1962. 488 p.
- Borgman, „Fundațiile doctrinei fenomenelor electrice și magnetice” (vol. I);
- Maxwell, „Tratat de electricitate și magnetism” (vol. I);
- Poincaré, „Electricité et Optique”;
- Wiedemann, „Die Lehre von der Elektricität” (vol. I);
Legături
- Constantin Bogdanov. Ce poate face electrostatica // Cuantic. - M.: Bureau Quantum, 2010. - Nr. 2.
Cheat sheet cu formule în fizică pentru examenul de stat unificat
și mai mult (pot fi necesare pentru clasele a 7-a, a 8-a, a 9-a, a 10-a și a 11-a).
În primul rând, o imagine care poate fi tipărită într-o formă compactă.
Mecanica
- Presiune P=F/S
- Densitatea ρ=m/V
- Presiunea la adâncimea lichidului P=ρ∙g∙h
- Gravitate Ft=mg
- 5. Forța arhimediană Fa=ρ f ∙g∙Vt
- Ecuația mișcării pentru mișcarea uniform accelerată
X=X 0 + υ 0 ∙t+(a∙t 2)/2 S=( υ 2 -υ 0 2) /2a S=( υ +υ 0) ∙t /2
- Ecuația vitezei pentru mișcarea uniform accelerată υ =υ 0 +a∙t
- Accelerația a=( υ -υ 0)/t
- Viteza circulară υ =2πR/T
- Accelerația centripetă a= υ 2/R
- Relația dintre perioadă și frecvență ν=1/T=ω/2π
- Legea a II-a a lui Newton F=ma
- Legea lui Hooke Fy=-kx
- Drept Gravitația universală F=G∙M∙m/R 2
- Greutatea unui corp care se deplasează cu accelerație a P=m(g+a)
- Greutatea unui corp care se deplasează cu accelerație а↓ Р=m(g-a)
- Forța de frecare Ftr=µN
- Momentul corpului p=m υ
- Impulsul de forță Ft=∆p
- Momentul forței M=F∙ℓ
- Energia potențială a unui corp ridicat deasupra solului Ep=mgh
- Energia potenţială a unui corp deformat elastic Ep=kx 2 /2
- Energia cinetică a corpului Ek=m υ 2 /2
- Lucrul A=F∙S∙cosα
- Puterea N=A/t=F∙ υ
- Eficiență η=Ap/Az
- Perioada de oscilație a unui pendul matematic T=2π√ℓ/g
- Perioada de oscilație a unui pendul elastic T=2 π √m/k
- Ecuația vibrațiilor armonice Х=Хmax∙cos ωt
- Relația dintre lungimea de undă, viteza acesteia și perioada λ= υ T
Fizica moleculară și termodinamică
- Cantitatea de substanță ν=N/Na
- Masa molară M=m/ν
- mier. rude. energia moleculelor de gaz monoatomic Ek=3/2∙kT
- Ecuația MKT de bază P=nkT=1/3nm 0 υ 2
- Legea lui Gay-Lussac (proces izobar) V/T =const
- Legea lui Charles (procesul izocor) P/T =const
- Umiditate relativă φ=P/P 0 ∙100%
- Int. ideal energetic. gaz monoatomic U=3/2∙M/µ∙RT
- Lucrări cu gaz A=P∙ΔV
- Legea Boyle–Mariotte (proces izoterm) PV=const
- Cantitatea de căldură în timpul încălzirii Q=Cm(T 2 -T 1)
- Cantitatea de căldură în timpul topirii Q=λm
- Cantitatea de căldură în timpul vaporizării Q=Lm
- Cantitatea de căldură în timpul arderii combustibilului Q=qm
- Ecuația de stare gaz ideal PV=m/M∙RT
- Prima lege a termodinamicii ΔU=A+Q
- Eficiența motoarelor termice η= (Q 1 - Q 2)/ Q 1
- Eficiența este ideală. motoare (ciclul Carnot) η= (T 1 - T 2)/ T 1
Electrostatică și electrodinamică - formule în fizică
- Legea lui Coulomb F=k∙q 1 ∙q 2 /R 2
- Intensitatea câmpului electric E=F/q
- Tensiune electrică câmpul de sarcină punctiform E=k∙q/R 2
- Densitatea de sarcină la suprafață σ = q/S
- Tensiune electrică câmpuri ale unui plan infinit E=2πkσ
- Constanta dielectrica ε=E 0 /E
- Interacțiune energetică potențială. sarcinile W= k∙q 1 q 2 /R
- Potenţialul φ=W/q
- Potențial de sarcină punctiformă φ=k∙q/R
- Tensiune U=A/q
- Pentru un câmp electric uniform U=E∙d
- Capacitate electrică C=q/U
- Capacitatea electrică a unui condensator plat C=S∙ ε ∙ε 0 /d
- Energia unui condensator încărcat W=qU/2=q²/2С=CU²/2
- Puterea curentului I=q/t
- Rezistența conductorului R=ρ∙ℓ/S
- Legea lui Ohm pentru secțiunea circuitului I=U/R
- Legile ultimului. conexiuni I 1 =I 2 =I, U 1 +U 2 =U, R 1 +R 2 =R
- Legi paralele. conn. U 1 =U 2 =U, I 1 +I 2 =I, 1/R 1 +1/R 2 =1/R
- Puterea curentului electric P=I∙U
- Legea Joule-Lenz Q=I 2 Rt
- Legea lui Ohm pentru un circuit complet I=ε/(R+r)
- Curent de scurtcircuit (R=0) I=ε/r
- Vector de inducție magnetică B=Fmax/ℓ∙I
- Amperi putere Fa=IBℓsin α
- Forța Lorentz Fl=Bqυsin α
- Flux magnetic Ф=BSсos α Ф=LI
- Drept inducție electromagnetică Ei=ΔФ/Δt
- FEM de inducție într-un conductor în mișcare Ei=Вℓ υ sinα
- EMF de autoinducție Esi=-L∙ΔI/Δt
- Energie câmp magnetic bobine Wm=LI 2 /2
- Perioada de oscilație nr. circuitul T=2π ∙√LC
- Reactanța inductivă X L =ωL=2πLν
- Capacitatea Xc=1/ωC
- Valoarea curentă efectivă Id=Imax/√2,
- Valoarea tensiunii efective Ud=Umax/√2
- Impedanta Z=√(Xc-X L) 2 +R 2
Optica
- Legea refracției luminii n 21 =n 2 /n 1 = υ 1 / υ 2
- Indicele de refracție n 21 =sin α/sin γ
- Formula de lentilă subțire 1/F=1/d + 1/f
- Putere optică a lentilei D=1/F
- interferență maximă: Δd=kλ,
- interferență minimă: Δd=(2k+1)λ/2
- Grilă diferențială d∙sin φ=k λ
Fizica cuantică
- Fizica lui Einstein pentru efectul fotoelectric hν=Aout+Ek, Ek=U z e
- Marginea roșie a efectului fotoelectric ν k = Aout/h
- Momentul fotonului P=mc=h/ λ=E/s
Fizica nucleului atomic
Sarcina electrica- Asta mărime fizică, care caracterizează capacitatea particulelor sau a corpurilor de a intra în interacțiuni electromagnetice. Sarcina electrică este de obicei reprezentată de litere q sau Q. În sistemul SI, sarcina electrică este măsurată în Coulombs (C). O încărcare gratuită de 1 C este o cantitate gigantică de încărcare, practic nu se găsește în natură. De obicei, va trebui să aveți de-a face cu microculombi (1 µC = 10 -6 C), nanocoulombi (1 nC = 10 -9 C) și picoculombi (1 pC = 10 -12 C). Sarcina electrică are următoarele proprietăți:
1. Sarcina electrică este un tip de materie.
2. Sarcina electrică nu depinde de mișcarea particulei și de viteza acesteia.
3. Taxele pot fi transferate (de exemplu, prin contact direct) de la un corp la altul. Spre deosebire de masa corporală, sarcina electrică nu este o caracteristică integrală a unui corp dat. Același corp în diferite condiții poate avea o încărcătură diferită.
4. Există două tipuri de sarcini electrice, numite convențional pozitivŞi negativ.
5. Toate taxele interacționează între ele. În acest caz, taxele asemănătoare se resping, spre deosebire de taxele se atrag. Forțele de interacțiune dintre sarcini sunt centrale, adică se află pe o linie dreaptă care leagă centrele sarcinilor.
6. Există o sarcină electrică minimă posibilă (modulo), numită sarcina elementara. Sensul lui:
e= 1,602177·10 –19 C ≈ 1,6·10 –19 C.
Sarcina electrică a oricărui corp este întotdeauna un multiplu al sarcinii elementare:
Unde: N– un număr întreg. Vă rugăm să rețineți că este imposibil să existe o taxă egală cu 0,5 e; 1,7e; 22,7eși așa mai departe. Se numesc mărimile fizice care pot lua doar o serie discretă (nu continuă) de valori cuantificat. Sarcina elementară e este o cuantică (cea mai mică parte) a sarcinii electrice.
Într-un sistem izolat, suma algebrică a sarcinilor tuturor corpurilor rămâne constantă:
Legea conservării sarcinii electrice prevede că într-un sistem închis de corpuri nu pot fi observate procese de creare sau dispariție a sarcinilor de un singur semn. De asemenea, din legea conservării sarcinii rezultă că dacă două corpuri de aceeași dimensiune și formă având sarcini q 1 și q 2 (nu contează ce semn sunt acuzațiile), aduceți-le în contact și apoi separați-le înapoi, apoi încărcarea fiecărui corp va deveni egală:
Din punct de vedere modern, purtătorii de taxe sunt particule elementare. Toate corpurile obișnuite constau din atomi, care includ încărcați pozitiv protoni, încărcat negativ electroniși particule neutre - neutroni. Protonii și neutronii fac parte din nuclee atomice, electronii formează învelișul de electroni a atomilor. Sarcinile electrice ale unui proton și ale unui electron sunt exact aceleași ca mărime și egale cu sarcina elementară (adică cea minimă posibilă) e.
Într-un atom neutru, numărul de protoni din nucleu este egal cu numărul de electroni din înveliș. Acest număr se numește număr atomic. Un atom al unei substanțe date poate pierde unul sau mai mulți electroni sau poate câștiga un electron în plus. În aceste cazuri, atomul neutru se transformă într-un ion încărcat pozitiv sau negativ. Vă rugăm să rețineți că protonii pozitivi fac parte din nucleul unui atom, astfel încât numărul lor se poate schimba doar în timpul reacțiilor nucleare. Este evident că atunci când corpurile sunt electrizate reactii nucleare nu se întâmplă. Prin urmare, în orice fenomen electric, numărul de protoni nu se modifică, se schimbă doar numărul de electroni. Astfel, conferirea unei sarcini negative unui corp înseamnă transferul de electroni suplimentari către acesta. Iar mesajul unei sarcini pozitive, contrar unei greșeli obișnuite, nu înseamnă adăugarea de protoni, ci scăderea electronilor. Sarcina poate fi transferată de la un corp la altul numai în porțiuni care conțin un număr întreg de electroni.
Uneori, în probleme, sarcina electrică este distribuită pe un anumit corp. Pentru a descrie această distribuție, sunt introduse următoarele mărimi:
1. Densitatea de sarcină liniară. Folosit pentru a descrie distribuția sarcinii de-a lungul filamentului:
Unde: L– lungimea firului. Măsurată în C/m.
2. Densitatea sarcinii de suprafață. Folosit pentru a descrie distribuția sarcinii pe suprafața unui corp:
Unde: S– suprafața corpului. Măsurat în C/m2.
3. Densitatea de încărcare a volumului. Folosit pentru a descrie distribuția sarcinii pe volumul unui corp:
Unde: V– volumul corpului. Măsurat în C/m3.
Vă rugăm să rețineți că masa electronilor este egal cu:
m e= 9,11∙10 –31 kg.
legea lui Coulomb
Taxa punctuala numit corp încărcat, ale cărui dimensiuni pot fi neglijate în condițiile acestei probleme. Pe baza a numeroase experimente, Coulomb a stabilit următoarea lege:
Forțele de interacțiune dintre sarcinile punctuale staționare sunt direct proporționale cu produsul modulelor de sarcină și invers proporționale cu pătratul distanței dintre ele:
Unde: ε – constanta dielectrică a unui mediu este o mărime fizică adimensională care arată de câte ori forța interacțiunii electrostatice într-un mediu dat va fi mai mică decât în vid (adică de câte ori mediul slăbește interacțiunea). Aici k– coeficient în legea lui Coulomb, valoare care determină valoarea numerică a forței de interacțiune a sarcinilor. În sistemul SI valoarea sa este considerată egală cu:
k= 9∙10 9 m/F.
Forțele de interacțiune dintre sarcinile punctuale fixe se supun celei de-a treia legi a lui Newton și sunt forțe de repulsie unele față de altele atunci când sarcinile au aceleași semne și forțe de atracție unele față de altele atunci când semne diferite. Interacțiunea sarcinilor electrice staționare se numește electrostatic sau interacțiunea Coulomb. Ramura electrodinamicii care studiază interacțiunea Coulomb se numește electrostatică.
Legea lui Coulomb este valabilă pentru corpuri cu încărcare punctiformă, sfere și bile încărcate uniform. În acest caz, pentru distanțe r luați distanța dintre centrele sferelor sau bilelor. În practică, legea lui Coulomb este bine îndeplinită dacă dimensiunile corpurilor încărcate sunt mult mai mici decât distanța dintre ele. Coeficient kîn sistemul SI este uneori scris ca:
Unde: ε 0 = 8,85∙10 –12 F/m – constantă electrică.
Experiența arată că forțele interacțiunii coulombiane se supun principiului suprapunerii: dacă un corp încărcat interacționează simultan cu mai multe corpuri încărcate, atunci forța rezultată care acționează asupra acestui corp este egală cu suma vectoriala forţe care acţionează asupra acestui corp din toate celelalte corpuri încărcate.
Amintiți-vă și două definiții importante:
Conductori– substanțe care conțin purtători liberi de sarcină electrică. În interiorul unui conductor, este posibilă mișcarea liberă a electronilor – purtători de sarcină – (curentul electric poate circula prin conductori). Conductorii includ metale, soluții și topituri de electroliți, gaze ionizate și plasmă.
Dielectrice (izolatori)– substanțe în care nu există purtători de taxe gratuite. Mișcarea liberă a electronilor în interiorul dielectricilor este imposibilă (curentul electric nu poate circula prin ei). Sunt dielectrici care au o anumită constantă dielectrică, nu egală cu unitatea. ε .
Pentru constanta dielectrică a unei substanțe, următoarele sunt adevărate (despre ce este un câmp electric chiar dedesubt):
Câmpul electric și intensitatea acestuia
Conform conceptelor moderne, sarcinile electrice nu acționează direct una asupra celeilalte. Fiecare corp încărcat creează în spațiul înconjurător câmp electric. Acest câmp exercită o forță asupra altor corpuri încărcate. Proprietatea principală a câmpului electric este efectul asupra sarcinilor electrice cu o anumită forță. Astfel, interacțiunea corpurilor încărcate se realizează nu prin influența lor directă unul asupra celuilalt, ci prin câmpurile electrice care înconjoară corpurile încărcate.
Câmpul electric din jurul unui corp încărcat poate fi studiat folosind așa-numita sarcină de test - o sarcină punctiformă mică care nu introduce o redistribuire vizibilă a sarcinilor studiate. Pentru a determina cantitativ câmpul electric, se introduce o caracteristică de forță - intensitatea câmpului electric E.
Intensitatea câmpului electric este o mărime fizică egală cu raportul dintre forța cu care acționează câmpul asupra unei sarcini de testare plasate în acest punct câmpuri, la mărimea acestei sarcini:
Intensitatea câmpului electric este o mărime fizică vectorială. Direcția vectorului de tensiune coincide în fiecare punct din spațiu cu direcția forței care acționează asupra sarcinii de testare pozitive. Câmpul electric al sarcinilor staționare care nu se modifică în timp se numește electrostatic.
Pentru a reprezenta vizual câmpul electric, utilizați liniile electrice. Aceste drepte sunt trasate astfel încât direcția vectorului de tensiune în fiecare punct să coincidă cu direcția tangentei la linia de forță. Liniile de câmp au următoarele proprietăți.
- Liniile de câmp electrostatic nu se intersectează niciodată.
- Liniile de câmp electrostatic sunt întotdeauna direcționate de la sarcinile pozitive la cele negative.
- Când descrieți un câmp electric folosind linii de câmp, densitatea acestora ar trebui să fie proporțională cu mărimea vectorului intensității câmpului.
- Liniile de forță încep la o sarcină pozitivă sau infinit și se termină la o sarcină negativă sau infinit. Cu cât tensiunea este mai mare, cu atât densitatea liniilor este mai mare.
- Într-un punct dat din spațiu, poate trece o singură linie de forță, deoarece Intensitatea câmpului electric într-un punct dat din spațiu este specificată în mod unic.
Un câmp electric se numește uniform dacă vectorul de intensitate este același în toate punctele câmpului. De exemplu, un câmp uniform este creat de un condensator plat - două plăci încărcate cu o sarcină de mărime egală și semn opus, separate de un strat dielectric, iar distanța dintre plăci este mult mai mică decât dimensiunea plăcilor.
În toate punctele câmp uniform pe taxa q, introdus într-un câmp uniform cu intensitate E, acționează o forță de mărime și direcție egală, egală cu F = Ec. În plus, dacă taxa q pozitiv, atunci direcția forței coincide cu direcția vectorului de tensiune, iar dacă sarcina este negativă, atunci vectorii forță și tensiune sunt direcționați opus.
Sarcinile punctiforme pozitive și negative sunt prezentate în figură:
Principiul suprapunerii
Dacă un câmp electric creat de mai multe corpuri încărcate este studiat folosind o sarcină de test, atunci forța rezultată se dovedește a fi egală cu suma geometrică a forțelor care acționează asupra sarcinii de testare de la fiecare corp încărcat separat. În consecință, intensitatea câmpului electric creat de un sistem de sarcini într-un punct dat din spațiu este egală cu suma vectorială a intensităților câmpului electric creat în același punct de sarcini separat:
Această proprietate a câmpului electric înseamnă că câmpul se supune principiul suprapunerii. În conformitate cu legea lui Coulomb, puterea câmpului electrostatic creat de o sarcină punctiformă Q la distanta r din el, este egal ca modul:
Acest câmp se numește câmp Coulomb. Într-un câmp Coulomb, direcția vectorului de intensitate depinde de semnul sarcinii Q: Dacă Q> 0, atunci vectorul de tensiune este îndreptat departe de sarcină, dacă Q < 0, то вектор напряженности направлен к заряду. Величина напряжённости зависит от величины заряда, среды, в которой находится заряд, и уменьшается с увеличением расстояния.
Intensitatea câmpului electric creat de un plan încărcat lângă suprafața sa:
Deci, dacă problema necesită determinarea intensității câmpului unui sistem de sarcini, atunci trebuie să procedăm după cum urmează algoritm:
- Desenați o imagine.
- Desenați puterea câmpului fiecărei încărcări separat în punctul potrivit. Amintiți-vă că tensiunea este îndreptată către o sarcină negativă și departe de o sarcină pozitivă.
- Calculați fiecare dintre tensiuni folosind formula corespunzătoare.
- Adăugați vectorii de stres geometric (adică vectorial).
Energia potențială de interacțiune a sarcinii
Sarcinile electrice interacționează între ele și cu câmpul electric. Orice interacțiune este descrisă de energia potențială. Energia potențială de interacțiune a două sarcini electrice punctuale calculat prin formula:
Vă rugăm să rețineți că taxele nu au module. Pentru sarcini diferite, energia de interacțiune are valoare negativă. Aceeași formulă este valabilă pentru energia de interacțiune a sferelor și bilelor încărcate uniform. Ca de obicei, în acest caz distanța r se măsoară între centrele bilelor sau sferelor. Dacă nu există două, ci mai multe sarcini, atunci energia interacțiunii lor ar trebui calculată după cum urmează: împărțiți sistemul de sarcini în toate perechile posibile, calculați energia de interacțiune a fiecărei perechi și însumați toate energiile pentru toate perechile.
Problemele pe această temă sunt rezolvate, precum și problemele privind legea conservării energie mecanică: mai intai se gaseste energia initiala de interactiune, apoi cea finala. Dacă problema vă cere să găsiți munca efectuată pentru a muta sarcinile, atunci aceasta va fi egală cu diferența dintre energia totală inițială și finală de interacțiune a sarcinilor. Energia de interacțiune poate fi, de asemenea, convertită în energie cinetică sau alte tipuri de energie. Dacă corpurile se află la o distanță foarte mare, atunci se presupune că energia interacțiunii lor este egală cu 0.
Vă rugăm să rețineți: dacă problema necesită găsirea distanței minime sau maxime dintre corpuri (particule) atunci când se mișcă, atunci această condiție va fi îndeplinită în acel moment de timp când particulele se mișcă într-o direcție cu aceeași viteză. Prin urmare, soluția trebuie să înceapă prin a scrie legea conservării impulsului, de la care se găsește această viteză identică. Și apoi ar trebui să scriem legea conservării energiei, ținând cont de energia cinetică a particulelor în al doilea caz.
Potenţial. Diferență de potențial. Voltaj
Câmpul electrostatic are o proprietate importantă: munca forțelor câmpului electrostatic la mutarea unei sarcini dintr-un punct în câmp în altul nu depinde de forma traiectoriei, ci este determinată doar de poziția punctelor de pornire și de sfârșit. și mărimea sarcinii.
O consecință a independenței muncii față de forma traiectoriei este următoarea afirmație: lucrul forțelor câmpului electrostatic atunci când se deplasează o sarcină de-a lungul oricărei traiectorii închise este egal cu zero.
Proprietatea potențialității (independența muncii de forma traiectoriei) a câmpului electrostatic ne permite să introducem conceptul de energie potențială a unei sarcini într-un câmp electric. Și o mărime fizică egală cu raportul dintre energia potențială a unei sarcini electrice într-un câmp electrostatic și mărimea acestei sarcini se numește potenţial φ câmp electric:
Potenţial φ este energia caracteristică a câmpului electrostatic. În Sistemul Internațional de Unități (SI), unitatea de potențial (și, prin urmare, diferența de potențial, adică tensiunea) este voltul [V]. Potenţialul este o mărime scalară.
În multe probleme de electrostatică, atunci când se calculează potențiale, este convenabil să se ia punctul de la infinit ca punct de referință în care valorile energiei potențiale și potențialului dispar. În acest caz, conceptul de potențial poate fi definit astfel: potențialul câmpului într-un punct dat din spațiu este egal cu munca efectuată de forțele electrice atunci când se îndepărtează o singură sarcină pozitivă dintr-un punct dat la infinit.
Reamintind formula pentru energia potențială de interacțiune a două sarcini punctuale și împărțind-o la valoarea uneia dintre sarcini în conformitate cu definiția potențialului, obținem că potenţial φ câmpuri de taxă punctuală Q la distanta r din ea relativ la punctul de la infinit se calculează după cum urmează:
Potențialul calculat folosind această formulă poate fi pozitiv sau negativ în funcție de semnul sarcinii care l-a creat. Aceeași formulă exprimă potențialul de câmp al unei bile (sau sfere) încărcate uniform la r ≥ R(în afara mingii sau sferei), unde R este raza mingii și distanța r măsurată din centrul mingii.
Pentru a reprezenta vizual câmpul electric, împreună cu liniile de forță, folosiți suprafete echipotentiale. O suprafață în toate punctele cărora potențialul câmpului electric are aceleași valori se numește suprafață echipotențială sau suprafață cu potențial egal. Liniile de câmp electric sunt întotdeauna perpendiculare pe suprafețele echipotențiale. Suprafețele echipotențiale ale câmpului coulombian al unei sarcini punctiforme sunt sfere concentrice.
Electric Voltaj este doar o diferență de potențial, adică Definiția tensiunii electrice poate fi dată de formula:
Într-un câmp electric uniform există o relație între intensitatea câmpului și tensiune:
Lucru pe câmp electric poate fi calculată ca diferența dintre energia potențială inițială și cea finală a unui sistem de sarcini:
Lucrarea câmpului electric în cazul general poate fi calculată și folosind una dintre formulele:
Într-un câmp uniform, atunci când o sarcină se mișcă de-a lungul liniilor sale de câmp, munca câmpului poate fi calculată și folosind următoarea formulă:
În aceste formule:
- φ – potenţialul câmpului electric.
- ∆φ – diferenta de potential.
- W– energia potențială a unei sarcini într-un câmp electric extern.
- O– munca câmpului electric pentru deplasarea sarcinii (sarcinilor).
- q– o sarcină care se mișcă într-un câmp electric extern.
- U- Voltaj.
- E– intensitatea câmpului electric.
- d sau ∆ l– distanța până la care sarcina este deplasată de-a lungul liniilor de forță.
În toate formulele anterioare vorbeam în mod specific despre munca câmpului electrostatic, dar dacă problema spune că „trebuie făcută munca” sau despre care vorbim despre „muncă forțe externe„, atunci această lucrare ar trebui considerată la fel ca și munca de teren, dar cu semnul opus.
Principiul suprapunerii potențiale
Din principiul suprapunerii intensităților câmpului creat de sarcinile electrice, urmează principiul suprapunerii pentru potențiale (în acest caz, semnul potențialului câmpului depinde de semnul sarcinii care a creat câmpul):
Observați cât de ușor este să aplicați principiul suprapunerii potențialului decât al tensiunii. Potențialul este o mărime scalară care nu are direcție. Adăugarea potențialelor înseamnă pur și simplu adunarea valorilor numerice.
Capacitate electrică. Condensator plat
Când se transmite o sarcină unui conductor, există întotdeauna o anumită limită dincolo de care nu va fi posibilă încărcarea corpului. Pentru a caracteriza capacitatea corpului de a acumula sarcina electrică, este introdus conceptul capacitate electrică. Capacitatea unui conductor izolat este raportul dintre sarcina lui și potențial:
În sistemul SI, capacitatea este măsurată în Farads [F]. 1 Farad este o capacitate extrem de mare. Pentru comparație, capacitatea de numai glob semnificativ mai puțin de un farad. Capacitatea unui conductor nu depinde nici de sarcina sa si nici de potentialul corpului. La fel, densitatea nu depinde nici de masa, nici de volumul corpului. Capacitatea depinde doar de forma corpului, de mărimea acestuia și de proprietățile mediului înconjurător.
Capacitate electrică sistemul de doi conductori este o mărime fizică definită ca raport de sarcină q unul dintre conductorii la diferența de potențial Δ φ intre ei:
Mărimea capacității electrice a conductorilor depinde de forma și dimensiunea conductorilor și de proprietățile dielectricului care separă conductorii. Există configurații de conductori în care câmpul electric este concentrat (localizat) doar într-o anumită regiune a spațiului. Se numesc astfel de sisteme condensatoare, iar conductoarele care alcătuiesc condensatorul se numesc căptușeli.
Cel mai simplu condensator este un sistem de două plăci conductoare plate situate paralele una cu cealaltă la o distanță mică în comparație cu dimensiunea plăcilor și separate printr-un strat dielectric. Un astfel de condensator se numește plat. Câmpul electric al unui condensator cu plăci paralele este localizat în principal între plăci.
Fiecare dintre plăcile încărcate ale unui condensator plat creează un câmp electric lângă suprafața sa, al cărui modul este exprimat prin relația deja prezentată mai sus. Atunci modulul intensității finale a câmpului din interiorul condensatorului creat de cele două plăci este egal cu:
În afara condensatorului, câmpurile electrice ale celor două plăci sunt direcționate în direcții diferite și, prin urmare, câmpul electrostatic rezultat E= 0. se poate calcula folosind formula:
Astfel, capacitatea electrică a unui condensator plat este direct proporțională cu aria plăcilor (plăcilor) și invers proporțională cu distanța dintre ele. Dacă spațiul dintre plăci este umplut cu un dielectric, capacitatea condensatorului crește cu ε dată. Rețineți că Sîn această formulă există aria unei singure plăci de condensator. Când vorbesc despre „zona de placare” într-o problemă, se referă exact la această valoare. Nu trebuie niciodată să o înmulțiți sau să o împărțiți cu 2.
Vă prezentăm încă o dată formula pentru încărcarea condensatorului. Sarcina unui condensator este înțeleasă doar ca sarcina de pe placa sa pozitivă:
Forța de atracție dintre plăcile condensatorului. Forța care acționează asupra fiecărei plăci este determinată nu de câmpul total al condensatorului, ci de câmpul creat de placa opusă (placa nu acționează asupra ei însăși). Puterea acestui câmp este egală cu jumătate din intensitatea câmpului total, iar forța de interacțiune dintre plăci este:
Energia condensatorului. Se mai numește și energia câmpului electric din interiorul condensatorului. Experiența arată că un condensator încărcat conține o rezervă de energie. Energia unui condensator încărcat este egală cu munca forțelor externe care trebuie consumate pentru a încărca condensatorul. Există trei forme echivalente de scriere a formulei pentru energia unui condensator (ele urmează una de la alta dacă folosim relația q = C.U.):
Acordați o atenție deosebită expresiei: „Condensatorul este conectat la sursă”. Aceasta înseamnă că tensiunea pe condensator nu se modifică. Și expresia „Condensatorul a fost încărcat și deconectat de la sursă” înseamnă că încărcarea condensatorului nu se va schimba.
Energia câmpului electric
Energia electrică ar trebui considerată ca energie potențială stocată într-un condensator încărcat. Conform ideilor moderne, energie electrica a condensatorului este localizată în spațiul dintre plăcile condensatorului, adică în câmpul electric. Prin urmare, se numește energie de câmp electric. Energia corpurilor încărcate este concentrată în spațiul în care există un câmp electric, adică. putem vorbi despre energia câmpului electric. De exemplu, energia unui condensator este concentrată în spațiul dintre plăcile sale. Astfel, este logic să introduceți un nou caracteristici fizice– densitatea de energie volumetrică a câmpului electric. Folosind un condensator plat ca exemplu, putem obține următoarea formulă pentru densitatea energiei volumetrice (sau energia pe unitatea de volum a câmpului electric):
Conexiuni condensatoare
Conectarea în paralel a condensatoarelor– pentru a crește capacitatea. Condensatorii sunt conectați prin plăci încărcate similar, ca și cum ar crește aria plăcilor încărcate egal. Tensiunea pe toate condensatoarele este aceeași, sarcina totală este egală cu suma sarcinilor fiecărui condensator, iar capacitatea totală este, de asemenea, egală cu suma capacităților tuturor condensatoarelor conectate în paralel. Să notăm formulele pentru conectarea în paralel a condensatoarelor:
La conectarea în serie a condensatoarelor capacitatea totală a unei bănci de condensatoare este întotdeauna mai mică decât capacitatea celui mai mic condensator inclus în baterie. O conexiune în serie este utilizată pentru a crește tensiunea de avarie a condensatoarelor. Să notăm formulele pentru conectarea condensatoarelor în serie. Capacitatea totală a condensatoarelor conectate în serie se găsește din relația:
Din legea conservării sarcinii rezultă că sarcinile de pe plăcile adiacente sunt egale:
Tensiunea este egală cu suma tensiunilor de pe condensatoarele individuale.
Pentru doi condensatori conectați în serie, formula de mai sus ne va oferi următoarea expresie pentru capacitatea totală:
Pentru N condensatoare identice conectate în serie:
Sfera conductivă
Intensitatea câmpului în interiorul unui conductor încărcat este zero.În caz contrar, asupra sarcinilor libere din interiorul conductorului ar acţiona o forţă electrică, ceea ce ar forţa aceste sarcini să se deplaseze în interiorul conductorului. Această mișcare, la rândul său, ar duce la încălzirea conductorului încărcat, ceea ce de fapt nu se întâmplă.
Faptul că nu există câmp electric în interiorul conductorului poate fi înțeles și în alt mod: dacă ar exista unul, atunci particulele încărcate s-ar mișca din nou și s-ar mișca exact în așa fel încât să reducă acest câmp la zero cu propriile lor. câmp, pentru că de fapt, nu ar dori să se miște, pentru că fiecare sistem se străduiește la echilibru. Mai devreme sau mai târziu, toate sarcinile în mișcare s-ar opri exact în acel loc, astfel încât câmpul din interiorul conductorului să devină zero.
Pe suprafața conductorului, intensitatea câmpului electric este maximă. Mărimea intensității câmpului electric al unei bile încărcate în afara limitelor sale scade odată cu distanța de la conductor și se calculează folosind o formulă similară cu formula pentru intensitatea câmpului unei sarcini punctiforme, în care distanțele sunt măsurate de la centrul bilei. .
Deoarece intensitatea câmpului în interiorul unui conductor încărcat este zero, potențialul în toate punctele din interiorul și de pe suprafața conductorului este același (doar în acest caz diferența de potențial și, prin urmare, tensiunea, este zero). Potențialul din interiorul unei bile încărcate este egal cu potențialul de pe suprafață. Potențialul din afara mingii este calculat folosind o formulă similară cu formulele pentru potențialul unei sarcini punctuale, în care distanțele sunt măsurate de la centrul mingii.
Rază R:
Dacă mingea este înconjurată de un dielectric, atunci:
Proprietățile unui conductor într-un câmp electric
- În interiorul unui conductor, intensitatea câmpului este întotdeauna zero.
- Potențialul din interiorul conductorului este același în toate punctele și este egal cu potențialul suprafeței conductorului. Când spun într-o problemă că „conductorul este încărcat la un potențial ... V”, se referă exact la potențialul de suprafață.
- În afara conductorului, aproape de suprafața acestuia, intensitatea câmpului este întotdeauna perpendiculară pe suprafață.
- Dacă o sarcină este dată unui conductor, atunci aceasta va fi distribuită pe un strat foarte subțire lângă suprafața conductorului (de obicei se spune că întreaga sarcină a conductorului este distribuită pe suprafața acestuia). Acest lucru este ușor de explicat: faptul este că atunci când transmitem o sarcină unui corp, îi transferăm purtători de încărcare de același semn, adică. ca niște încărcături care se resping reciproc. Aceasta înseamnă că vor încerca să fugă unul de celălalt la distanța maximă posibilă, de exemplu. se acumulează chiar la marginile conductorului. Ca urmare, dacă miezul este îndepărtat dintr-un conductor, proprietățile sale electrostatice nu se vor schimba în niciun fel.
- În afara conductorului, cu cât suprafața conductorului este mai curbă, cu atât intensitatea câmpului este mai mare. Valoarea maximă a tensiunii este atinsă în apropierea marginilor și rupturi ascuțite în suprafața conductorului.
Note despre rezolvarea problemelor complexe
1. Împământare ceva înseamnă legătura unui conductor al acestui obiect cu Pământul. În acest caz, potențialele Pământului și ale obiectului existent sunt egalizate, iar sarcinile necesare pentru aceasta se deplasează de-a lungul conductorului de la Pământ la obiect sau invers. În acest caz, este necesar să se țină cont de mai mulți factori care decurg din faptul că Pământul este disproporționat mai mare decât orice obiect situat pe el:
- Sarcina totală a Pământului este în mod convențional zero, deci potențialul său este, de asemenea, zero și va rămâne zero după ce obiectul se conectează cu Pământul. Într-un cuvânt, la pământ înseamnă a reseta potențialul unui obiect.
- Pentru a reseta potențialul (și, prin urmare, încărcătura proprie a obiectului, care anterior ar fi putut fi fie pozitivă, fie negativă), obiectul va trebui fie să accepte, fie să dea Pământului o sarcină (poate chiar foarte mare), iar Pământul va fi întotdeauna să poată oferi această posibilitate.
2. Să repetăm încă o dată: distanța dintre corpurile respingătoare este minimă în momentul în care vitezele lor devin egale ca mărime și direcționate în aceeași direcție ( viteza relativa taxele este zero). În acest moment, energia potențială de interacțiune a sarcinilor este maximă. Distanța dintre corpurile care atrag este maximă, tot în momentul egalității vitezelor îndreptate într-o singură direcție.
3. Dacă problema implică un sistem format dintr-un număr mare de sarcini, atunci este necesar să luăm în considerare și să descriem forțele care acționează asupra unei sarcini care nu este situată în centrul de simetrie.
Implementarea cu succes, sârguincioasă și responsabilă a acestor trei puncte, precum și studiul responsabil al testelor finale de pregătire, vă vor permite să arătați un rezultat excelent la CT, maximul de care sunteți capabil.
Ați găsit o greșeală?
Dacă credeți că ați găsit o eroare în materiale educaționale, atunci vă rugăm să scrieți despre asta pe e-mail(). În scrisoare, indicați subiectul (fizică sau matematică), numele sau numărul subiectului sau testului, numărul problemei sau locul din text (pagină) în care, în opinia dumneavoastră, există o eroare. De asemenea, descrieți care este eroarea suspectată. Scrisoarea dvs. nu va trece neobservată, eroarea fie va fi corectată, fie vi se va explica de ce nu este o eroare.
În electrostatică, una dintre cele fundamentale este legea lui Coulomb. Este folosit în fizică pentru a determina forța de interacțiune între două sarcini punctuale staționare sau distanța dintre ele. Aceasta este o lege fundamentală a naturii care nu depinde de alte legi. Atunci forma corpului real nu afectează mărimea forțelor. În acest articol vom spune într-un limbaj simplu Legea lui Coulomb și aplicarea ei în practică.
Istoria descoperirii
Sh.O. Coulomb în 1785 a fost primul care a demonstrat experimental interacțiunile descrise de lege. În experimentele sale a folosit balanțe speciale de torsiune. Cu toate acestea, în 1773, Cavendish a demonstrat, folosind exemplul unui condensator sferic, că nu există un câmp electric în interiorul sferei. Acest lucru a indicat că forțele electrostatice variază în funcție de distanța dintre corpuri. Pentru a fi mai precis - pătratul distanței. Cercetarea lui nu a fost publicată atunci. Din punct de vedere istoric, această descoperire a fost numită după Coulomb, iar cantitatea în care se măsoară sarcina are un nume similar.
Formulare
Definiția legii lui Coulomb spune: În vidF interacțiunea a două corpuri încărcate este direct proporțională cu produsul modulelor lor și invers proporțională cu pătratul distanței dintre ele.
Sună scurt, dar poate să nu fie clar pentru toată lumea. Cu cuvinte simple: Cu cât corpurile au mai multă sarcină și cu cât sunt mai aproape unele de altele, cu atât forța este mai mare.
Si invers: Dacă măriți distanța dintre sarcini, forța va deveni mai mică.
Formula pentru regula lui Coulomb arată astfel:
Desemnarea literelor: q - valoarea de încărcare, r - distanța dintre ele, k - coeficient, depinde de sistemul de unități ales.
Valoarea de încărcare q poate fi condiționat pozitivă sau condiționat negativă. Această împărțire este foarte arbitrară. Când corpurile intră în contact, acesta poate fi transmis de la unul la altul. De aici rezultă că același corp poate avea o sarcină de mărime și semn diferit. O sarcină punctiformă este o sarcină sau un corp ale cărui dimensiuni sunt mult mai mici decât distanța de interacțiune posibilă.
Este demn de luat în considerare că mediul în care sunt situate încărcăturile afectează interacțiunea F. Deoarece este aproape egal în aer și vid, descoperirea lui Coulomb este aplicabilă numai pentru aceste medii, aceasta este una dintre condițiile pentru utilizarea acestui tip de formulă. După cum sa menționat deja, în sistemul SI unitatea de măsură a sarcinii este Coulomb, prescurtat Cl. Caracterizează cantitatea de energie electrică pe unitatea de timp. Este derivat din unitățile de bază SI.
1 C = 1 A*1 s
Este de remarcat faptul că dimensiunea lui 1 C este redundantă. Datorită faptului că purtătorii se resping reciproc, este dificil să îi reținți într-un corp mic, deși curentul de 1A în sine este mic dacă curge într-un conductor. De exemplu, în aceeași lampă cu incandescență de 100 W curge un curent de 0,5 A, iar într-un încălzitor electric curge mai mult de 10 A. O astfel de forță (1 C) este aproximativ egală cu masa de 1 tonă care acționează asupra unui corp din parte a globului.
Poate ați observat că formula este aproape aceeași ca în interacțiunea gravitațională, doar dacă mase apar în mecanica newtoniană, atunci sarcinile apar în electrostatică.
Formula Coulomb pentru un mediu dielectric
Coeficientul, ținând cont de valorile sistemului SI, este determinat în N 2 * m 2 / Cl 2. Este egal cu:
În multe manuale, acest coeficient poate fi găsit sub forma unei fracții:
Aici E 0 = 8,85*10-12 C2/N*m2 este constanta electrică. Pentru un dielectric, se adaugă E - constanta dielectrică a mediului, apoi legea lui Coulomb poate fi folosită pentru a calcula forțele de interacțiune a sarcinilor pentru vid și mediu.
Ținând cont de influența dielectricului, acesta are forma:
Din aceasta vedem că introducerea unui dielectric între corpuri reduce forța F.
Cum sunt direcționate forțele?
Sarcinile interacționează între ele în funcție de polaritatea lor - sarcinile asemănătoare se resping, iar sarcinile spre deosebire de (opuse) se atrag.
Apropo, aceasta este principala diferență față de o lege similară a interacțiunii gravitaționale, în care corpurile se atrag întotdeauna. Forțele sunt direcționate de-a lungul liniei trasate între ele, numită vector rază. În fizică este notat ca r 12 și ca vectorul rază de la prima la a doua sarcină și invers. Forțele sunt direcționate de la centrul sarcinii către sarcina opusă de-a lungul acestei linii, dacă sarcinile sunt opuse și în reversul, dacă sunt cu același nume (două pozitive sau două negative). În formă vectorială:
Forța aplicată primei sarcini de cea de-a doua este notată cu F 12. Apoi, sub formă vectorială, legea lui Coulomb arată astfel:
Pentru a determina forța aplicată celei de-a doua încărcări, sunt utilizate denumirile F 21 și R 21.
Dacă corpul are o formă complexă și este suficient de mare încât la o anumită distanță să nu poată fi considerat o sarcină punctuală, atunci este împărțit în secțiuni mici și fiecare secțiune este considerată o sarcină punctiformă. După adăugarea geometrică a tuturor vectorilor rezultați, se obține forța rezultată. Atomii și moleculele interacționează între ele conform aceleiași legi.
Aplicare în practică
Lucrarea lui Coulomb este foarte importantă în electrostatică, este folosită într-o serie de invenții și dispozitive. Un exemplu izbitor Puteți selecta un paratrăsnet. Cu ajutorul acestuia, acestea protejează clădirile și instalațiile electrice de furtuni, prevenind astfel incendiul și defecțiunile echipamentelor. Când plouă cu furtună, pe sol apare o sarcină indusă de mare magnitudine, ei sunt atrași spre nor. Se pare că pe suprafața pământului apare un câmp electric mare. Lângă vârful paratrăsnetului este mai mare, în urma căreia se aprinde o descărcare corona din vârf (de la sol, prin paratrăsnet până în nor). Sarcina de la sol este atrasă de sarcina opusă a norului, conform legii lui Coulomb. Aerul este ionizat, iar intensitatea câmpului electric scade aproape de capătul paratrăsnetului. Astfel, încărcăturile nu se acumulează pe clădire, caz în care probabilitatea unui fulger este scăzută. Dacă are loc o lovitură asupra clădirii, atunci toată energia va intra în pământ prin paratrăsnet.
În serios cercetarea stiintifica Ei folosesc cea mai mare construcție a secolului 21 - un accelerator de particule. În el, câmpul electric funcționează pentru a crește energia particulei. Considerând aceste procese din punctul de vedere al influenței unui grup de taxe asupra unei taxe punctuale, atunci toate raporturile legii se dovedesc a fi valabile.
Util
