Лекция №1. Понятие об электрическом заряде. Взаимодействие зарядов. Электрическое поле.
Цель: выдать студентам знания по основам электростатики.
Задача: обучить студентов основным понятиям электростатики.
1. Основные понятия о заряде.
2. Взаимодействие зарядов.
3. Электрическое поле.
Основные понятия о заряде
Заряд электрона - самый маленький электрический заряд, известный в природе. За единицу заряда был принят заряд, равный 6,29 ∙10 18 электронов и назван кулоном. Единица заряда кулон записывается сокращенно – Кл. Кулон является единицей СИ (системы интернациональной).
Заряды подразделяются по свойствам на положительные и отрицательные. Одноименные заряды отталкиваются, разноименные притягиваются, незаряженные предметы притягиваются как к положительно, так и к отрицательно заряженным телам.
Взаимодействие зарядов
Опытным путем было установлено, что сила взаимодействия двух зарядов пропорциональна значению этих зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Формула, по которой рассчитывается взаимодействие заряженных тел, называется законом Кулона:
F=Q1Q2/є а R 2 ,
F – сила взаимодействия зарядов Q1 и Q2, (Ньютон).
Q1 и Q2 – заряды, Кл.
R – расстояние между центрами заряженных тел, м;
є а - диэлектрическая проницаемость среды, равная произведению є 0 (диэлектрическая постоянная вакуума) и є r (диэлектрическая проницаемость данной среды, показывает во сколько раз уменьшается взаимодействие заряженных тел, если их перенести из вакуума в данную среду), измеряется в Фарад на метр.
Электрическое поле.
Электрическое поле – это особый вид материи, через который осуществляется взаимодействие зарядов. Электрическое поле неизменяющихся зарядов называется электростатическим.
Каждая точка электрического поля характеризуется напряженностью электрического поля Е. Е= F/q, где – F – сила, действующая на пробный заряд, помещенный в данной точке поля. Пробным зарядом называется заряд, много меньше заряда, создающего основное поле. Напряженность измеряется в Н/Кл.
Напряженность электрического поля – векторная величина, характеризующая электрическое поле и определяющая силу, действующую на заряженную частицу со стороны электрического поля. Электрическое поле изображается линиями напряженности. Густоту линий показывают пропорциональной напряженности электрического поля. Направление поля в каждой точке совпадает с направлением касательной в этой точке. Электрическое поле, у которого во всех точках векторы напряженности одинаковые, называют однородным.
Лекция №2. Потенциал. Напряжение. Электрическая емкость. Конденсаторы .
Цель: восстановить и углубить знания студентов по теме «электрическое поле».
Задача: Научить определять напряжение и емкость.
1. Понятия потенциала и напряжения.
2. Понятие электрической емкости.
Электрическое поле – это одна из теоретических концепций, объясняющих явления взаимодействия меж заряженными телами. Субстанцию нельзя пощупать, но можно доказать существование, что и было сделано в ходе сотен натурных экспериментов.
Взаимодействие заряженных тел
Привыкли считать устаревшие теории утопией, между тем мужи науки вовсе не глупые. Сегодня смешно звучит учение Франклина об электрической жидкости, видный физик Эпинус посвятил целый трактат. Закон Кулона открыт экспериментально на основе крутильных весов, аналогичными методами пользовался Георг Ом при выводе известного . Но что лежит за всем этим?
Должны признаться, электрическое поле попросту является очередной теорией, не уступающей франклиновой жидкости. Сегодня известно о субстанции два факта:
Изложенные факты заложили базис современного представления о взаимодействиях в природе, выступают опорой теории близкодействия. Помимо нее учеными выдвигались другие предположения о сути наблюдаемого явления. Теория близкодействия подразумевает мгновенное распространение сил без участия эфира. Поскольку явления пощупать труднее, нежели электрическое поле, многие философы окрестили подобные взгляды идеалистическими. В нашей стране они успешно критиковались советской властью, поскольку, как известно, большевики недолюбливали Бога, клевали по каждому удобному случаю идею существования чего-либо, «зависимого от наших представлений и поступков» (попутно изучая сверхвозможности Джуны).
Франклин объяснял положительные, отрицательные заряды тел избытком, недостаточностью электрической жидкости.
Характеристики электрического поля
Электрическое поле описывается векторной величиной – напряженностью. Стрелка, направление которой совпадает с силой, действующей в точке на единичный положительный заряд, длина пропорциональна модулю силы. Физики находят удобным пользоваться потенциалом. Величина скалярная, проще представить на примере температуры: в каждой точке пространства некоторое значение. Под электрическим потенциалом понимают работу, совершаемую для перемещения единичного заряда из точки нулевого потенциала в данную точку.
Поле, описываемое указанным выше способом, называется безвихревым. Иногда именуют потенциальным. Функция потенциала электрического поля непрерывная, изменяется плавно по протяженности пространства. В результате выделим точки равного потенциала, складывающие поверхности. Для единичного заряда сфера: дальше объект, слабее поле (закон Кулона). Поверхности называют эквипотенциальными.
Для понимания уравнений Максвелла заимейте представление о нескольких характеристиках векторного поля:
- Градиентом электрического потенциала называется вектор, направление совпадает с наискорейшим ростом параметра поля. Значение тем больше, чем быстрее изменяется величина. Направлен градиент от меньшего значения потенциала к большему:
- Градиент перпендикулярен эквипотенциальной поверхности.
- Градиент тем больше, чем ближе расположение эквипотенциальных поверхностей, отличающихся друг от друга на заданную величину потенциала электрического поля.
- Градиент потенциала, взятый с обратным знаком, является напряженностью электрического поля.
Электрический потенциал. Градиент «взбирается в гору»
- Дивергенция является скалярной величиной, вычисляемой для вектора напряженности электрического поля. Является аналогом градиента (для векторов), показывает скорость изменения величины. Необходимость во введении дополнительной характеристики: векторное поле лишено градиента. Следовательно, для описания требуется некий аналог – дивергенция. Параметр в математической записи схож с градиентом, обозначается греческой буквой набла, применяется для векторных величин.
- Ротор векторного поля именуется вихрем. Физически величина равна нулю при равномерном изменении параметра. Если ротор отличен от нуля, возникают замкнутые изгибы линий. У потенциальных полей точечных зарядов по определению вихрь отсутствует. Не обязательно линии напряжённости в этом случае прямолинейны. Просто изменяются плавно, не образуя вихрей. Поле с ненулевым ротором часто называют соленоидальным. Часто применяется синоним – вихревое.
- Полный поток вектора представлен интегралом по поверхности произведения напряженности электрического поля на элементарную площадь. Предел величины при стремлении емкости тела к нулю представляет собой дивергенцию поля. Понятие предела изучается старшими классами средней школы, ученик может составить некоторое представление на предмет обсуждения.
Уравнения Максвелла описывают изменяющееся во времени электрическое поле и показывают, что в таких случаях возникает волна. Принято считать, одна из формул указывает отсутствие в природе обособленных магнитных зарядов (полюсов). Иногда в литературе встретим особый оператор – лапласиан. Обозначается как квадрат набла, вычисляется для векторных величин, представляет дивергенцией градиента поля.
Пользуясь означенными величинами, математики и физики рассчитывают электрические и магнитные поля. Например, доказано: скалярный потенциал может быть только у безвихревого поля (точечных зарядов). Придуманы другие аксиомы. Вихревое поле ротора лишено дивергенции.
Подобные аксиомы легко положим в основу описания процессов, происходящих в реальных существующих устройствах. Антигравитационный, вечный двигатель были бы неплохим подспорьем экономике. Если реализовать на практике теорию Эйнштейна никому не удалось, наработки Николы Тесла исследуются энтузиастами. Отсутствуют ротор, дивергенция.
Краткая история развития электрического поля
За постановкой теории последовали многочисленные работы по применению электрического и электромагнитного полей на практике, самой известной из которых в России считают опыт Попова по передачи информации через эфир. Возник ряд вопросов. Стройная теория Максвелла бессильна объяснить явления, наблюдающихся при прохождении электромагнитных волн через ионизированные среды. Планк выдвинул предположение: лучистая энергия испускается дозированными порциями, названными впоследствии квантами. Дифракцию отдельных электронов, любезно демонстрируемую Ютуб в англоязычном варианте, открыли в 1949 году советские физики. Частица одновременно проявляла волновые свойства.
Это говорит нам: современные представление об электрическом поле постоянном и переменном, далеки совершенству. Многие знают Эйнштейна, бессильны объяснить, что отрыл физик. Теория относительности 1915 года связывает электрическое, магнитное поля и тяготение. Правда, формул в виде закона представлено не было. Сегодня известно: существуют частицы, движущееся быстрее, распространения света. Очередной камень в огород.
Системы единиц претерпевали постоянное изменение. Изначально введенная СГС, базирующаяся на наработках Гаусса, не удобна. Первые буквы обозначают базисные единицы: сантиметр, грамм, секунда. Электромагнитные величины добавлены к СГС в 1874 году Максвеллом и Томсоном. СССР в 1948 году страной стала использовать МКС (метр, килограмм, секунда). Конец баталиям положило введение в 60-х годах XX века системы СИ (ГОСТ 9867), где напряженности электрического поля измеряется в В/м.
Использование электрического поля
В конденсаторах происходит накопление электрического заряда. Следовательно, меж обкладками образуется поле. Поскольку емкость напрямую зависит от величины вектора напряженности, с целью повышения параметра пространство заполняется диэлектриком.
Косвенным образом электрические поля применяются кинескопами, люстрами Чижевского, потенциал сетки управляет движением лучей электронных ламп. Несмотря на отсутствие стройной теории, эффекты электрического поля лежат в основе многих изображений.
ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ
ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ (электростатическое поле), область вокруг электрического заряда, в которой на каждую заряженную частицу действует некоторая сила. Объект с противоположным зарядом испытывает силу притяжения. Объект, имеющий такой же заряд, как и окружающее его поле, испытывает отталкивающее воздействие. Сила поля относительно единичного заряда на расстоянии r от заряда Q равна: Q/4pr 2 e, где e - диэлектрическая проницаемость среды, окружающей заряд. Переменное магнитное поле также может создать электрическое поле. см. также ЭЛЕКТРОМАГНЕТИЗМ .
Научно-технический энциклопедический словарь .
Смотреть что такое "ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ" в других словарях:
Частная форма проявления (наряду с магн. полем) электромагнитного поля, определяющая действие на электрич. заряд (со стороны поля) силы, не зависящей от скорости движения заряда. Представление об Э. п. было введено М. Фарадеем в 30 х гг. 19 в.… … Физическая энциклопедия
ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ, одна из форм электромагнитного поля. Создается электрическими зарядами или переменным магнитным полем. Характеризуется напряженностью электрического поля (или электрической индукцией). Напряженность электрического поля у… … Современная энциклопедия
ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ - (14, а) … Большая политехническая энциклопедия
Частная форма проявления электромагнитного поля; создается электрическими зарядами или переменным магнитным полем и характеризуется напряженностью электрического поля … Большой Энциклопедический словарь
Электрическое поле - одна из двух сторон электромагнитного поля, характеризующаяся воздействием на электрически заряженную частицу с силой, пропорциональной заряду этой частицы и не зависящей от ее скорости... Источник: ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ТЕРМИНЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОСНОВНЫХ … Официальная терминология
электрическое поле - Одна из двух сторон электромагнитного поля, характеризующаяся воздействием на электрически заряженную частицу с силой, пропорциональной заряду этой частицы и не зависящей от ее скорости. [ГОСТ Р 52002 2003] EN electric field constituent of an… … Справочник технического переводчика
Классическая электродинамика … Википедия
электрическое поле - 06.01.07 электрическое поле [ electric field]: Составляющая электромагнитного поля, которая характеризуется векторами напряженности электрического поля Е и электрической индукции D. Примечание Во французском языке термин «champ electrique»… … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации
Электрическое поле - Демонстрация поля электростатического заряда. ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ, одна из форм электромагнитного поля. Создается электрическими зарядами или переменным магнитным полем. Характеризуется напряженностью электрического поля (или электрической… … Иллюстрированный энциклопедический словарь
Частная форма проявления электромагнитного поля; создаётся электрическими зарядами или переменным магнитным полем и характеризуется напряжённостью электрического поля. * * * ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ, частная форма проявления… … Энциклопедический словарь
Книги
- Теоретические основы электротехники. Электромагнитное поле , Л. А. Бессонов. Рассмотрены традиционные и появившиеся за последние годы новые вопросы теории и методы расчета физических процессов в электрических, магнитных и электромагнитных полях, предусмотренные…
- Классификация и структура полей Гравитационное поле Электромагнитное поле Магнитное поле Электрическое поле Электростатическое поле Импульсное поле Кулоновское поле Ядерное поле теория абсолютности , Гуревич Г., Каневский С.. В книге"Классификация и структура полей"дана классификация полей окружающего нас мира, основанная на взаимосвязи внутренней структуры полей макромира и микромира.. Рождение, жизнь и смерть…
Действие заряженного тела на окружающие тела проявляется в виде сил притяжения и отталкивания, стремящихся поворачивать и перемещать эти тела по отношению к заряженному телу. Мы наблюдали проявление этих сил в опытах, описанных в предыдущих параграфах. Их можно наблюдать также с помощью поучительного опыта, который мы сейчас опишем.
Нальем в небольшую стеклянную кювету (рис. 25) какой-либо жидкий диэлектрик (например, масло), к которому подмешан порошок с крупинками удлиненной формы. В кювету поместим, например, две металлические пластинки, и соединим их с электрической машиной, позволяющей непрерывно разделять положительные и отрицательные заряды. Чтобы удобно было следить за поведением взвешенных в масле крупинок, спроецируем изображение всей картины на экран или просто отбросим тень кюветы на потолок (рис. 25). При зарядке пластинок можно видеть, что отдельные крупинки, расположенные вначале совершенно беспорядочно, начинают перемещаться и поворачиваться и в конце концов устанавливаются в виде цепочек, тянущихся от одного электрода к другому. На рис. 26 приведено изображение расположения крупинок между двумя параллельными металлическими пластинками, а на рис. 27- между двумя металлическими шариками.
Рис. 25. Схема экспериментальной установки для получения картин электрического поля: 1 – кювета, содержащая касторовое масло с кристалликами хинина, 2 – проводники, соединенные с электрической машиной и создающие электрическое поле, 3 – источник света, 4 – экран, на который проецируется тень от кристалликов
Рис. 26. Расположение крупинок между двумя параллельными пластинками, заряженными разноименно
Рис. 27. Расположение крупинок между двумя металлическими шариками, заряженными разноименно
В этом опыте каждая крупинка подобна маленькой стрелке. Небольшие размеры крупинок позволяют разместить их одновременно во многих точках среды и благодаря этому обнаружить, что действие заряженного тела проявляется во всех точках пространства, окружающего заряд. Таким образом, можно судить о существовании электрического заряда в каком-нибудь месте по действиям, производимым им в различных точках окружающего пространства.
В зависимости от заряда и формы заряженного тела действие его в различных точках пространства будет различным. Поэтому для полной характеристики заряда надо знать, какое действие он производит во всевозможных точках окружающего пространства, или, как говорят, надо знать электрическое поле, которое возникает вокруг заряда. Таким образом, понятием «электрическое поле» мы обозначаем пространство, в котором проявляются действия электрического заряда.
Если имеется не один, а несколько зарядов, расположенных в различных местах, то в любой точке окружающего пространства проявится совместное действие этих зарядов, электрическое поле, создаваемое всеми этими зарядами.
Заметим, что в начале изучения электричества часто возникает стремление «объяснить» электрическое поле, т. е. свести его к каким-либо иным, уже изученным явлениям, подобно тому как тепловые явления мы сводим к беспорядочному движению атомов и молекул. Однако многочисленные попытки подобного рода в области электричества неизменно оканчивались неудачей. Поэтому следует считать, что электрическое поле есть самостоятельная физическая реальность, не сводящаяся ни к тепловым, ни к механическим явлениям. Электрические явления представляют собой новый класс явлений природы, с которыми мы знакомимся на опыте, и дальнейшая наша задача должна состоять в изучении свойств электрического поля и его законов.
Действие заряженного тела на окружающие тела проявляется в виде сил притяжения и отталкивания, стремящихся поворачивать и перемещать эти тела по отношению к заряженному телу. Мы наблюдали проявление этих сил в опытах, описанных в предыдущих параграфах. Их можно наблюдать также с помощью поучительного опыта, который мы сейчас опишем.
Нальем в небольшую стеклянную кювету (рис. 25) какой-либо жидкий диэлектрик (например, масло), к которому подмешан порошок с крупинками удлиненной формы. В кювету поместим, например, две металлические пластинки, и соединим их с электрической машиной, позволяющей непрерывно разделять положительные и отрицательные заряды. Чтобы удобно было следить за поведением взвешенных в масле крупинок, спроецируем изображение всей картины на экран или просто отбросим тень кюветы на потолок (рис. 25). При зарядке пластинок можно видеть, что отдельные крупинки, расположенные вначале совершенно беспорядочно, начинают перемещаться и поворачиваться и в конце концов устанавливаются в виде цепочек, тянущихся от одного электрода к другому. На рис. 26 приведено изображение расположения крупинок между двумя параллельными металлическими пластинками, а на рис. 27- между двумя металлическими шариками.
Рис. 25. Схема экспериментальной установки для получения картин электрического поля: 1 – кювета, содержащая касторовое масло с кристалликами хинина, 2 – проводники, соединенные с электрической машиной и создающие электрическое поле, 3 – источник света, 4 – экран, на который проецируется тень от кристалликов
Рис. 26. Расположение крупинок между двумя параллельными пластинками, заряженными разноименно
Рис. 27. Расположение крупинок между двумя металлическими шариками, заряженными разноименно
В этом опыте каждая крупинка подобна маленькой стрелке. Небольшие размеры крупинок позволяют разместить их одновременно во многих точках среды и благодаря этому обнаружить, что действие заряженного тела проявляется во всех точках пространства, окружающего заряд. Таким образом, можно судить о существовании электрического заряда в каком-нибудь месте по действиям, производимым им в различных точках окружающего пространства.
В зависимости от заряда и формы заряженного тела действие его в различных точках пространства будет различным. Поэтому для полной характеристики заряда надо знать, какое действие он производит во всевозможных точках окружающего пространства, или, как говорят, надо знать электрическое поле, которое возникает вокруг заряда. Таким образом, понятием «электрическое поле» мы обозначаем пространство, в котором проявляются действия электрического заряда.
Если имеется не один, а несколько зарядов, расположенных в различных местах, то в любой точке окружающего пространства проявится совместное действие этих зарядов, электрическое поле, создаваемое всеми этими зарядами.
Заметим, что в начале изучения электричества часто возникает стремление «объяснить» электрическое поле, т. е. свести его к каким-либо иным, уже изученным явлениям, подобно тому как тепловые явления мы сводим к беспорядочному движению атомов и молекул. Однако многочисленные попытки подобного рода в области электричества неизменно оканчивались неудачей. Поэтому следует считать, что электрическое поле есть самостоятельная физическая реальность, не сводящаяся ни к тепловым, ни к механическим явлениям. Электрические явления представляют собой новый класс явлений природы, с которыми мы знакомимся на опыте, и дальнейшая наша задача должна состоять в изучении свойств электрического поля и его законов.
