ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОЕ ПОЛЕ В ВАКУУМЕ 1. Электрический заряд. Закон сохранения заряда 2. Взаимодействие электрических зарядов в вакууме. Закон Кулона 3. Электростатическое. - презентация

1 ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОЕ ПОЛЕ В ВАКУУМЕ 1. Электрический заряд. Закон сохранения заряда 2. Взаимодействие электрических зарядов в вакууме. Закон Кулона 3. Электростатическое поле. Напряженность поля 4. Сложение электростатических полей. Принцип суперпозиции 5. Электростатическое поле диполя 6. Взаимодействие диполей

2 1. Электрический заряд Электростатика – раздел физики, изучающий статические (неподвижные) заряды и связанные с ними электрические поля.

3 Существуют два вида электрических зарядов: заряды подобные тем, которые возникают на стекле, потертом о шелк – положительные на янтаре, потертом о мех – отрицательные Бенджамин Франклин г.

4 американский физик, политический и общественный деятель. Основные работы в области электричества. Объяснил действие Лейденской банки, построил первый плоский конденсатор. Изобрел молниеотвод, доказал электрическую природу молнии и тождественность земного и атмосферного электричества. Разработал теорию электрических явлений – так называемую «унитарную теорию». Работы относятся также к теплопроводности тел, к распространению звука в воде и воздухе и т.п. Является автором ряда технических изобретений. Франклин Бенджамин (1706 – 1790) американский физик, политический и общественный деятель. Основные работы в области электричества. Объяснил действие Лейденской банки, построил первый плоский конденсатор. Изобрел молниеотвод, доказал электрическую природу молнии и тождественность земного и атмосферного электричества. Разработал теорию электрических явлений – так называемую «унитарную теорию». Работы относятся также к теплопроводности тел, к распространению звука в воде и воздухе и т.п. Является автором ряда технических изобретений.

5 одноименные заряды отталкиваются, разноименные – притягиваются.

6 Если поднести заряженное тело (с любым зарядом) к легкому – незаряженному, то между ними будет притяжение – явление электризации легкого тела через влияние. На ближайшем к заряженному телу конце появляются заряды противоположного знака (индуцированные заряды) это явление называется электростатической индукцией.

7 Таким образом, всякий процесс заряжения есть процесс разделения зарядов. Сумма зарядов не изменяется, заряды только перераспределяются. Отсюда следует закон сохранения заряда – один из фундаментальных законов природы, сформулированный в 1747 г. Б. Франклином и подтвержденный в 1843 г. М. Фарадеем

8 q=const Закон сохранения заряда суммарный электрический заряд замкнутой системы не изменяется. q=const

9 Электрические заряды не существуют сами по себе, а являются внутренними свойствами элементарных частиц – электронов, протонов и др. Опытным путем в 1914 г. американский физик Р. Милликен показал что электрический заряд дискретен.

10 Заряд q любого тела составляет целое кратное от элементарного электрического заряда ( n – целое число) :

11 Земля имеет отрицательный заряд q= q= - 6 * 10 5 Кл это установлено по измерению напряженности электростатического поля в атмосфере Земли. это установлено по измерению напряженности электростатического поля в атмосфере Земли.

12 Большой вклад в исследование явлений электростатики внес знаменитый французский ученый Ш. Кулон. В 1785 г. он экспериментально установил закон взаимодействия неподвижных точечных электрических зарядов.

13 Кулон Шарль Огюстен Кулон Шарль Огюстен (1736 – 1806) – французский физик и военный инженер. (1736 – 1806) – французский физик и военный инженер. Работы относятся к электричеству, магнетизму, прикладной механике. Сформулировал законы трения, качения и скольжения. Установил законы упругого кручения. Исходя из этого в 1784 г. Кулон построил прибор для измерения силы – крутильные весы и с помощью их открыл основной закон электростатики – закон взаимодействия электрических зарядов на расстоянии, названный в последствии его именем. Работы относятся к электричеству, магнетизму, прикладной механике. Сформулировал законы трения, качения и скольжения. Установил законы упругого кручения. Исходя из этого в 1784 г. Кулон построил прибор для измерения силы – крутильные весы и с помощью их открыл основной закон электростатики – закон взаимодействия электрических зарядов на расстоянии, названный в последствии его именем.

14 2. Взаимодействие электрических зарядов в вакууме. Точечным зарядом (q) называется заряженное тело, размеры которого пренебрежительно малы по сравнению с расстоянием до других заряженных тел, с которым оно взаимодействует.

15 Закон Кулона сила взаимодействия точечных зарядов в вакууме пропорциональна величине зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. здесь k 0 – коэффициент пропорциональности, зависящий от системы единиц.здесь k 0 – коэффициент пропорциональности, зависящий от системы единиц.

16 В СИ единица заряда 1 Кл = 1А * 1 сВ СИ единица заряда 1 Кл = 1А * 1 с где ε 0 – электрическая постоянная;где ε 0 – электрическая постоянная; 4π здесь выражают сферическую симметрию закона Кулона.4π здесь выражают сферическую симметрию закона Кулона.

17 Электрическая постоянная относится к числу фундаментальных физических констант и равна Элементарный заряд в СИ:Элементарный заряд в СИ: Отсюда следует, что Отсюда следует, что

18 Закон Кулона векторной форме: где F 1 – сила, действующая на заряд q 1 F 2 – сила, действующая на заряд q 2 r - единичный вектор, направленный от положительного заряда к отрицательному.

19 Силы взаимодействия между зарядами равны по величине и направлены противоположно друг другу вдоль прямой, связывающей эти заряды (третий закон Ньютона)

20 Если заряды не точечные, то в такой форме закон Кулона использовать нельзя - нужно интегрировать по объему.Если заряды не точечные, то в такой форме закон Кулона использовать нельзя - нужно интегрировать по объему. Закон Кулона справедлив при Закон Кулона справедлив при 10 7 – м 10 7 – м Внутри ядра действуют уже другие законы, не кулоновские силы.Внутри ядра действуют уже другие законы, не кулоновские силы.

21 различие заключаются в том, что заряженные тела притягиваются или отталкиваются – в зависимости от знаков их зарядов, тогда как между массами существует только гравитационное притяжение Закон Кулона в основных чертах подобен закону всемирного тяготения Ньютона Рразличие заключаются в том, что заряженные тела притягиваются или отталкиваются – в зависимости от знаков их зарядов, тогда как между массами существует только гравитационное притяжение

22 Сила кулоновского притяжения между электроном и протоном в атоме водорода в раз больше их гравитационного взаимодействия.

23 3. Электростатическое поле. Напряженность электростатического поля Теории взаимодействия:Теории взаимодействия: – Ньютон, Ампертеория дальнодействия – Ньютон, Ампер – Фарадей, Максвелл и т.д.теория близкодействия – Фарадей, Максвелл и т.д. Для электростатического поля справедливы обе эти теории.Для электростатического поля справедливы обе эти теории.

24 Вокруг заряда всегда есть электрическое поле, основное свойство которого заключается в том, что на всякий другой заряд, помещенный в это поле, действует сила. Электрические и магнитные поля – частный случай более общего – электромагнитного поля (ЭМП). Они могут порождать друг друга, превращаться друг в друга.

25 ЭМП – есть не абстракция, а объективная реальность – форма существования материи, обладающая определенными физическими свойствами, которые мы можем измерить.

26 Силовой характеристикой поля создаваемого зарядом q является отношение силы действующей на заряд к величине этого заряда называемое напряженностью электростатического поля, т.е.

27 Напряженность в векторной форме Напряженность в векторной форме здесь r – расстояние от заряда до точки, где мы изучаем это поле.здесь r – расстояние от заряда до точки, где мы изучаем это поле. Тогда Тогда При При

28 Вектор напряженности электростатического поля равен силе, действующей в данной точке на помещенный в нее пробный единичный положительный заряд. Единица измерения напряженности электростатического поля – ньютон на кулон (Н/Кл). 1 Н/Кл – напряженность такого поля, которое на точечный заряд 1 Кл действует с силой в 1 Н.

29 В СИВ СИ размерность напряженности:размерность напряженности:

30 4. Сложение электростатических полей. Принцип суперпозиции Если поле создается несколькими точечными зарядами, то на пробный заряд q действует со стороны заряда q k такая сила, как если бы других зарядов не было.

31 Результирующая сила: – это принцип суперпозиции или независимости действия сил

32 Результирующая напряженность поля в точке, где расположен пробный заряд, так же подчиняется принципу суперпозиции: Напряженность результирующего поля, системы точечных зарядов равна векторной сумме напряженностей полей, созданных в данной точке каждым из них в отдельности.

33 Пример 1 т. е. т. е. и и

34 В данном случае:В данном случае: и Следовательно,

35 Пример 2. Пример 2.

36 Воспользуемся теоремой косинусов: где

37 Если поле создается не точечными зарядами, то используют обычный в таких случаях прием. Тело разбивают на бесконечно малые элементы и определяют напряженность поля создаваемого каждым элементом, затем интегрируют по всему телу: где – напряженность поля, обусловленная заряженным элементом. Интеграл может быть линейным, по площади или по объему в зависимости от формы тела.

38 Плотности заряда: – линейная плотность заряда, измеряется в Кл/м; - поверхностная плотность заряда измеряется в Кл/м 2 ; – объемная плотность заряда, измеряется в Кл/м 3.

39 Определим напряженность электрического поля в точке А на расстоянии х от бесконечно длинного, линейного, равномерно распределенного заряда.Определим напряженность электрического поля в точке А на расстоянии х от бесконечно длинного, линейного, равномерно распределенного заряда. λ – заряд, приходящийся на единицу длины.λ – заряд, приходящийся на единицу длины.

40 Считаем, что х – мало по сравнению с длиной проводника. Элемент длины dy, несет заряд dq = dy λ. Создаваемая этим элементом напряженность электрического поля в точке А:Считаем, что х – мало по сравнению с длиной проводника. Элемент длины dy, несет заряд dq = dy λ. Создаваемая этим элементом напряженность электрического поля в точке А:

41 Вектор имеет проекции dE x и dE y причем Вектор имеет проекции dE x и dE y причем Т.к. проводник бесконечно длинный, а задача симметричная, то у – компонента вектора обратится в ноль (скомпенсируется), т.е..Т.к. проводник бесконечно длинный, а задача симметричная, то у – компонента вектора обратится в ноль (скомпенсируется), т.е..

42 Тогда Тогда Теперь выразим y через θ. Т.к. Теперь выразим y через θ. Т.к. То и тогда То и тогда

43 Напряженность электрического поля линейно распределенных зарядов изменяется обратно пропорционально расстоянию до заряда.

44 Задание: по тонкому кольцу радиуса R равномерно распределен заряд q. Определить Е в точке АЗадание: по тонкому кольцу радиуса R равномерно распределен заряд q. Определить Е в точке А

45 5. Электростатическое поле диполя Электрическим диполем называется система двух одинаковых по величине, но разноименных точечных зарядов, расстояние между которыми значительно меньше расстояния до тех точек, в которых определяется поле системы Плечо диполя – вектор, направленный от отрицательного заряда к положительному и численно равный расстоянию между зарядами.

46 Пример 1. Найдем Е в точке А на прямой, проходящей через центр диполя и перпендикулярной к оси.Пример 1. Найдем Е в точке А на прямой, проходящей через центр диполя и перпендикулярной к оси. т.к. А

47 Из подобия заштрихованных треугольников можно записать:Из подобия заштрихованных треугольников можно записать: или

48 Электрический момент диполя (или дипольный момент) – произведение положительного заряда диполя на плечо. Направление совпадает с направлением, т.е. от отрицательного заряда к положительному. Тогда, учитывая что, получим: или

49 Пример 2. На оси диполя, в точке В :Пример 2. На оси диполя, в точке В : или

50 Пример 3. В произвольной точке СПример 3. В произвольной точке С где При :