Тема 6.1 Постійний електричний струм. Закон Ома. Послідовне і паралельне з’єднання. Закон Кірхгофа. Робота й потужність струму

Тема 5.1 Електричний заряд. Закон збереження заряду. Електричне (електростатичне) поле. Закон Кулона. Напруженість електростатичного поля. Поле точечного заряду. Поле системи зарядів. Принцип суперпозиції полів. Поле електричного диполя. Силові лінії. Густота силових ліній. Потік вектора напруженості. Електростатична теорема Гауса. Застосування теореми Гауса для розрахунку електричних полів заряджених провідників. Поверхнева щільність зарядів. Робота електричного поля при переміщенні зарядів. Потенціал. Зв'язок потенціалу з напруженістю електростатичного поля. Циркуляція вектора напруженості електростатичного поля.

Закон збереження заряду

Значення заряду, яке вимірюють у різних інерційних системах

відліку, завжди однакове і не залежить від того, рухається він чи перебуває в

«покої.

Сумарний заряд електрично ізольованої системи не змінюється.

Електричні заряди не створюються і не зникають, а тільки пере-

сіються від одного тіла до іншого або перерозподіляються всередині даного тіла.

()сновний закон електростатики - закон взаємодії двох нерухомих точкових зарядів (електрично заряджених тіл, розміри яких малі порівняно з відстанями між ними) - експериментально встановив французький фізик III. Кулон (1736-1806) у 1785 р., і тому його назвали законом Кулона. Щоб визначити силу взаємодії двох зарядів. Кулон скористався крутшьними терезами (рис.)- установкою, яка складається зі скляної палички, підвішеної на тонкому пружному дроті і поміщеному у скляну циліндричну посудину. На одному кінці палички закріплюють маленьку металеву кульку, а на другому - противагу.

Верхній кінець нитки кріплять до шкали з поділками. За допомогою цієї шкали визначають кут закручування нитки. Крізь отвір у кришці посудини вводять другу таку саму кульку. Якщо кулькам надати заряду, то вони взаємодіють між собою. Про силу взаємодії роблять висновок з кута закручування нитки. У загальному випадку сили взаємодії залежать від форми і розмірів наелектризованих тіл і характеру розподілу зарядів на них. У випадку нерухомих точкових зарядів, тобто зарядів, розподілених на тілах, лінійні розміри яких малі порівняно з відстанями, на яких розглядають їх взаємодію, слушним є закон Ку-

лона. Кулон експериментально встановив, що коли заряд кульки, яку вносять у прилад, збільшити в п разів, залишивши заряд кульки, закріпленої на скляній паличці, сталим, то сила їх взаємодії збільшується в п разів. Якщо відстань між кульками збільшувати в п разів, то сила їх взаємодії зменшиться в п² разів. Отже, сила електричної взаємодії між двома нерухомими точковими електрично зарядженими тілами у вакуумі пропорційна добутку їх зарядів і обернено пропорційна квадрату відстані між ними,

В умовах взаємодії однойменні заряди відштовхуються, різнойменні - притягуються. Сили Кулона напрямлені по прямій, яка сполучає ці заряди. Закон Кулона записують у формі.

Величину ε₀ називають електричною сталою, це одна з фізичних

констант.

Тема 5.2 Провідник у зовнішньому електричному поле. Поле усередині й поблизу зарядженого кулі або провідника, що перебуває в зовнішньому полі. Розподіл зарядів у провіднику. Електростатичний захист. умови на границі " провідник-вакуум". Електроємність провідників. Ємність конденсаторів. Енергія зарядженого відокремленого провідника, системи провідників й конденсаторів. Енергія електростатичного поля. Щільність енергії. Електростатичне поля.

Провідники в електричному полі

Залежно від характеру дії на тіла електричного поля їх можна поділити на провідники, діелектрики і напівпровідники. Властивості тіл і поводження їх в електричному полі визначаються будовою і розміщенням атомів у тілах. До складу атомів входять електрично зарядженні частинки: позитивні - протони, негативні - електрони. У нормальному стані атом електрично нейтральний, бо кількість протонів, які входять до складу атома, дорівнює кількості електронів, які обертаються навколо ядра і утворюють "електронні оболонки"

атома. Електрони втримуються в атомі силами електричного притягання до ядра. Однак у металах внаслідок особливостей їх будови в разі зовнішньої взаємодії електрони легко можуть бути видалені за межі "свого"

атома і вільно переміщуватись доти, доки не захопляться чиїм-небудь іншим атомом. Електрони, які втратили зв'язок із своїм атомом, називають вільними. їх рух має хаотичний характер і залежить від температури: чим вища температура, тим більша швидкість руху вільних електронів. У металевих провідниках концентрація вільних електронів порядку ІО²⁸ м³. Рух таких електронів аналогічний тепловому руху частинок атому, тому сукупність вільних електронів називають електронним газом.

Якщо металевий провідник розміщений в електричному полі, то на характеристичний рух електронів накладається упорядкований рух у напрямі, протилежному напруженості поля. Такий рух електронів називають дрейфом.

На рис. зображено провідник, розміщений у зовнішньому однорід-

ному електричному полі Е₀. Під дією поля електрони переміщуються в

напрямі поверхні АВ. Внаслідок цього на поверхні провідника АВ виникає

надлишковий негативний вільний заряд, на поверхні провідника СВ -

надлишковий позитивний заряд. Явище перерозподілу зарядів усередині

провідника під дією зовнішнього електричного поля називається елект-

ростатичною індукцією. Заряди, які виникають на поверхні провідника,

шваються наведеними, або індукованими. Заряди всередині провідника

перерозподіляються доти, поки напруженість зовнішнього поля не дорів-

нюватиме протилежно напрямленій напруженості Е поля індукованих

іл рядів, напруженість результуючого поля дорівнює нулю і упорядкований рух зарядів у провіднику припиняється, настає рівновага. Якщо на провіднику заряди перебувають у рівновазі, то потенціал усіх його точок однаковий. Отже, в разі рівноваги зарядів поверхня провідника еквіпотенціальна.

Електростатичний захист

Якщо провіднику надати деякого заряду то він розподілиться так, щоб виконувалась умова рівноваги, тобто ніде всередині провідника не буде надлишкових зарядів, а всі вони розмістяться на поверхні провідника з деякою густиною

Надлишковий заряд на порожнистому провіднику розподіляється так

само, як і на суцільному, тобто на його зовнішній поверхні. Цей висновок наочно продемонстрував Фарадей, виконавши такий дослід. Якщо

виготовити замкнений порожнистий провідник з дротяної сітки (рис. 10.21) у вигляді клітки(клітка Фарадея), закріпити його на ізолюючій підставці і підвісити на його внутрішній і зовнішній поверхнях паперові смужки, які виконують роль електроскопів, то після заряджання клітки за допомогою електрофорної машини відхиляються тільки зовнішні папірці. Це свідчить про те, що електричного поля всередині клітки немає. Отже, провідна поверхня надійно захищає ту область простору, яку вона оточує, від дії електричного поля. Такі поверхні використовують як електростатичний захист.

Електроємність

На досліді було встановлено, що коли форма і розміри відокремленого провідника, а також середовище (наприклад, повітря), в якому він розміщений, не змінюються, то при збільшенні заряду 2 на провід-

нику пропорційно йому збільшується потенціал провідника.

Об'ємна густина енергії

Об'ємна густина енергії електричного поля - фізична величина, яка дорівнює відношенню потенціальної енергії W_е, запасеної в

об'смі V, до об'ему:

Під електричним струмом розуміють упорядковане перенесення або напрямлений рух електрично заряджених частинок. Електричний струм може проходити у твердих тілах, рідинах і газах. Якщо в середовищіє велика кількість вільних електронів, то електричний струм у ньому проходить за рахунок дрейфу цих електронів. Такий струм називають струмом провідності, а речовини, в яких він можливий, - провідниками. За напрям

струму беруть напрям дрейфу позитивних зарядів. Тому напрям струму в

металах протилежний напряму руху електронів.

Електричний струм провідності виникає у провіднику, якщо в ньому є

шільні заряди і існують сили, які забезпечують упорядкований дрейф цих

зарядів. Сили електричної взаємодії між зарядами в самому провіднику

струму спричинити не можуть. Вони тільки перерозподіляють заряди,

(«наслідок чого напруженість поля всередині провідника дорівнюватиме

нулю, а потенціали всіх точок будуть однакові. Щоб підтримувати в колі

струм, на вільні заряди мають діяти сторонні сили. Пристрої, які забезпечують виникнення і дію сторонніх сил, називають джерелами

струму. У цих пристроях різнойменні заряди відокремлюються. Під дією

сторонніх сил електричні заряди всередині джерела струму рухаються в

напрямі, протилежному дії сил електричного поля. Внаслідок цього на полюсах джерела підтримується постійна різниця потенціалів.

Позитивний полюс гальванічних елементів і акумуляторів позначають довгою рискою, негативний – короткою.

Дата добавления: 2015-05-24