Електростатика

Міністерство освіти і науки України

Полтавський національний педагогічний університет

 імені В.Г.Короленка

 

 

 

 

 «  Електростатика »

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Підготувала:

студентка 3 курсу

фізико-математичного

факультету

групи М-31

Гнилосир Наталія

 

 

 

 

Полтава-2014 
Зміст

 

 

 

 

 

 

 

 

Вступ

Електростатика – розділ електрики, який вивчає взаємодію статичних тіл, тобто нерухомих електричних зарядів в електростатичному полі.

"Статика" тут в певному розумінні означає  ігнорування динамічної складової  взаємодії електричних зарядів. Електростатика має справу з  такими поняттями, як електричне  поле (електростатичне поле), електростатичний  потенціал, заряд, але не включає  у розгляд такі фізичні явища, як електричний струм та магнетизм.

Основні поняття електростатики будуть висвітлені в даному рефераті. Такі як: електричний заряд,діелектрична проникність,електричне поле, .

 

Електричний заряд

Електри́чний заря́д — скалярна фізична величина, квантована та інваріантна, яка є кількісною мірою властивості фізичних тіл або частинок речовини вступати в електромагнітну взаємодію. Електричний заряд звичайно позначають латинськими літерами  або великою буквою . Одиницею вимірювання електричного заряду в системі одиниць СІ є кулон.

Електричний заряд у макроскопічному світі.

У звичному для нас макроскопічному світі електричний заряд виникає внаслідок процесу електризації, наприклад, електризації тертям, і проявляється у притяганні або відштовхуванні заряджених тіл. Те, що при натиранні бурштин отримує властивість притягати до себе легкі предмети, описував в 600-х роках до Р.Х. Фалес Мілетський. Досліди з електроскопом свідчать про те, що ця можливість може проявлятися слабше або сильніше, тобто, що електричний заряд можна характеризувати кількісно. Електричний заряд може перетікати з одного тіла на інше.

Електричні заряди бувають двох типів, їх називають додатніми й від'ємними зарядами (позитивними й негативними). Існування двох типів зарядів пояснює різницю у взаємодії наелектризованих тіл. Однойменні заряди відштовхуються, різнойменні - притягуються. Контакт від'ємно зарядженого тіла з додатньо зарядженим призводить до перерозподілу зарядів тіл. Тіла, в яких електричні заряди повністю компенсовані називаються нейтральними. Такими є більшість тіл у природі, оскільки сили взаємодії між електричними зарядами дуже значні, й призводять до руху зарядів, при якому вони компенсуються, й тіла розряджаються.

Кількісно сили, які виникають при взаємодії зарядів, описуються законом Кулона. Взаємодія між зарядами опосередкована електричним полем, що виникає навколо будь-якого зарядженого тіла.

Рух зарядів призводить до виникнення електричного струму. Рухомі заряди, тобто електричний струм, створюють навколо себе не тільки електричне, а й магнітне поле.

 Електричний заряд у мікроскопічному світі

За сучасними уявленнями електричний заряд є властивістю частинок, з яких складаються атоми й молекули. Ядра атомів мають додатній заряд, а електрони - від'ємний. Атоми нейтральні, оскільки в кожному з них стільки електронів, щоб компенсувати додатній заряд ядра. Закони квантової механіки зумовлюють те, що важкі ядра оточені наче хмарою легких електронів. У випадку надлишку або відсутності електронів атоми стають від'ємно або додатньо зарядженими йонами.

Здебільшого електричний струм пояснюється рухом електронів, однак, у деяких випадках, наприклад, в електролітах електричний струм зумовлений рухом іонів.

Крім електронів електричний заряд мають багато інших елементарних частинок. Ядро атома складається з додатньо заряджених протонів та нейтральних нейтронів. Крім того, електричний заряд мають інші частинки: мюони, тауони, мезони, каони тощо. Для кожної частинки, крім фотона, існує античастинка із оберненим електричним зарядом. Так, для електрона античастинкою є позитрон, зяряд якого додатній, для протона - антипротон із від'ємним зарядом тощо.

Дискретність електричного заряду

Важлива особливість заряду полягає в тому, що він квантований (дискретний). Експериментально квантування заряду було виявлено Робертом Ендрусом Міллікеном в експерименті з олійними краплями. Існує найменший електричний заряд, на який можна збільшити, або зменшити сукупний заряд тіла. Цей заряд називають одиничним або елементарним і часто позначають латинською літерою е.

e = 1.602 176 487(40) ×10-19 Кл[1].

Таким чином, електричний заряд частинки можна розглядати в двох сутностях: здатності частинки створювати електричне поле і взаємодіяти з ним: дискретної величини, яка приймає цілі значення, наприклад, , і сталої, яка характеризує інтенсивність цієї взаємодії, кількісне значення якої — величина e. В безрозмірних одиницях інтенсивність взаємодії можна виразити сталою тонкої структури, розділивши квадрат величини e на добуток двох інших фундаментальних сталих: швидкості світла і сталої Планка.

Носіями заряду бувають стійкі (стабільні) і нестійкі (нестабільні) частинки. Серед найстабільніших частинок електрон має одиничний негативний заряд, протон — одиничний позитивний заряд. Заряд ядер атомів визначається кількістю протонів у них.

Теорія кварків стверджує, що кварки мають дробний електричний заряд:  або  від елементарного заряду.

Закон збереження

Один із фундаментальних законів фізики стверджує, що електричний заряд не виникає і не зникає. В макроскопічному світі це означає, що заряд певного тіла може збільшитися або зменшитися тільки внаслідок перетікання його на інші тіла й компенсацією зарядом іншого знаку. Ізольована фізична система зберігає свій заряд. У світі елементарних частинок закон збереження означає, що при будь-яких перетвореннях частинок алгебраїчна сума зарядів частинок зберігається.

 

Закон Кулона

Закон Кулона — один з основних законів електростатики, який визначає величину та напрямок сили взаємодії між двома нерухомими[1] точковими зарядами. Експериментально з задовільною точністю закон вперше встановив Генрі Кавендіш у 1773. Він використовував метод сферичного конденсатора, але не опублікував своїх результатів. У 1785 році закон був встановлений Шарлем Кулоном за допомогою спеціальних крутильних терезів[2].

Історія відкриття

Здогадки про те, що взаємодія між електризованими тілами підкоряється тому ж закону оберененої пропорційності квадрату відстані, що й тяжіння, неодноразово висловлювалися дослідниками в середині 18 ст. На початку 1770-их її експериментально відкрив Генрі Кавендіш, однак своїх результатів не опублікував, і про них стало відомо тільки в кінці 19 ст. після вивчення й публікації його архівів. Шарль Кулон опублікував закон 1785 року в двох мемуарах, представлених на розгляд Французької академії наук[2]. 1835 року Карл Гаус опублікував виведену на основі закону Кулона, теорему Гауса. У вигляді теореми Гауса закон Кулона входить до основних рівнянь електродинаміки.

Перевірка закону

Для макроскопічних відстаней при експериментах в земних умовах, що були проведені за методом Кавендіша, доведено що показник степеня r в законі Кулона не може відрізнятися від 2 більш ніж на 6·10−16. Із експериментів з розсіяння альфа-частинок виходить, що закон Кулона не порушується до відстаней 10−14 м. Але з іншого боку, для опису взаємодії заряджених частинок на таких відстанях поняття, за допомогою яких формулюється закон (поняття сили, положення), втрачають сенс. У цій області просторових масштабів діють закони квантової механіки.

Закон Кулона можна вважати одним з наслідків квантової електродинаміки, в рамках якої взаємодія заряджених часток зумовлена обміном віртуальними фотонами. Внаслідок цього, експерименти з перевірки висновків квантової електродинаміки можна вважати дослідами з перевірки закону Кулона. Так, експерименти з анігіляції електронів та позитронів свідчать, що відхилення від законів квантової електродинаміки не спостерігаються до відстаней 10−18 м.

Визначення

Електростатична сила взаємодії F12 двох точкових нерухомих зарядів q1 та q2 у вакуумі прямо пропорційна добутку абсолютних значень зарядів і обернено пропорційна квадрату відстані r12 між ними.

 

у векторній формі:

 

Сила взаємодії направлена вздовж прямої, що з'єднує заряди, причому однойменні заряди відштовхуються, а різнойменні притягуються. Сили, що визначаються законом Кулона адитивні.

Для виконання сформульованого закону необхідно, щоб виконувалися такі умови:

Точковість зарядів — відстань між зарядженими тілами має бути набагато більшою від розмірів тіл.

Нерухомість зарядів. У протилежному випадку потрібно враховувати магнітне поле заряду, що рухається[1].

Закон сформульовано для зарядів у вакуумі.

Електростатична стала

Коефіцієнт пропорційності k має назву електростатичної сталої. Він залежить від вибору одиниць вимірювання. Так, у Міжнародній системі одиниць (СІ)

 

де ε

0 - електрична стала[3]. Закон Кулона  має вигляд:

 

Упродовж тривалого часу основною системою одиниць вимірювання була система СГС. Чимало класичної фізичної літератури написано з використанням одного з різновидів системи СГС - гаусової системи одиниць. У ній одиниця заряду обрана таким чином, що k=1, і закон Кулона набирає вигляду:

 

Аналогічний вигляд закон Кулона має і в атомній системі одиниць, що використовується для в атомній фізиці та для квантовохімічних розрахунків.

Закон Кулона в середовищі

У середовищі сила взаємодії між зарядами зменшується завдяки явищу поляризації. Для однорідного ізотропного середовища це зменшення пропорційне певній характерній для цього середовища величині, яку називають діелектричною сталою або діелектричною проникністю і зазвичай позначають ε. Кулонівська сила в системі

СІ має вигляд

 

Діелектрична стала повітря дуже близька до одиниці, тому в повітрі можна використовувати з достатньою точністю формулу для вакууму.

 

Діелектрична проникність

Рівень поляризації речовини характеризується особливою величиною, яку називають діелектрична проникність. Розглянемо, що це за величина.

  Припустимо, що напруженість однорідного  поля між двох заряджених пластин  в порожнечі дорівнює Е?. Тепер  заповнимо проміжок між ними  будь-яким діелектриком. Електричні  заряди, які з’являться на кордоні  між діелектриком і провідником  завдяки його поляризації, частково  нейтралізують дію зарядів на  пластинах. Напруженість Е даного  поля стане менше напруженості  Е?.

  Досвід виявляє, що при послідовному  заповненні проміжку між пластинами  рівними діелектриками, величини  напруженості поля виявляться  різними. Тому знаючи величину  відношення напруженості електрополя  між пластинами в відсутність  діелектрика Е? і за наявності  діелектрика Е, можна визначати  його поляризованість, тобто його  діелектричну проникність. Цю величину  прийнято позначати грецькою  буквою? (Епсилон). Отже, можна написати:

? = Е? / Є.

  Діелектрична проникність демонструє, у скільки разів напруженість  поля даних зарядів у діелектрику (однорідному) буде менше, ніж у  вакуумі.

  Зменшення сили взаємодії між  зарядами викликано процесами  поляризації середовища. В електричному  полі електрони в атомах і  молекулах зменшуються по відношенню  до іонів, і виникає дипольний  момент. Тобто ті молекули, у яких  є свій дипольний момент (зокрема  молекули води), орієнтуються в  електричному полі. Ці моменти  створюють власне електричне  поле, що протидіє того полю, яке  викликало їх появу. У результаті  сумарне електричне поле зменшується. У невеликих полях це явище  описують за допомогою поняття діелектричної проникності.

  Нижче наведена діелектрична  проникність у вакуумі різних  речовин:

  Повітря ………………………………. 1,0006

  Парафін ………… …………………. 2

  Плексиглас (оргскло) …… 3-4

  Ебоніт ……………………………….. 4

  Фарфор ………………………………. 7

  Скло ………………………………… 4-7

  Слюда ………………………………… 4-5

  Шовк натуральний ………… 4-5

  Шифер ………………………… 6-7

  Янтар … ……………………………… 12,8

  Вода ……………………………………. 81

  Дані значення діелектричної  проникності речовин ставляться  до оточуючих температур в  межах 18-20 ° С. Так, діелектрична проникність  твердих тіл незначно змінюється  з температурою, винятком є сегнетоелектріки.

  Навпаки, в газів вона зменшується  через підвищення температури  і зростає у зв’язку зі збільшенням  тиску. У практиці діелектрична  проникність повітря приймається  за одиницю.

  Домішки в невеликих кількостях  мало впливають на рівень діелектричної  проникності рідин.

  Якщо два довільних точкових  заряду помістити в діелектрик, то напруженість поля, створюваного  кожним з цих зарядів в точці  знаходження іншого заряду, зменшується  в? разів. З цього випливає, що  сила, з якою ці заряди взаємодіють  один з іншим, також у? разів  менше. Тому закон Кулона для  зарядів, поміщених в діелектрик, виражається формулою:

F = (q? Q?) / (?? R ²).

  в системі СІ:

F = (q? q?) / (4π?? r ²),

  де F – є силою взаємодії, q? і q?, – величини зарядів,? – Є абсолютною  діелектричною проникністю середовища, г – дистанція між точковими  зарядами

 

Електричне поле

Одна зі складових електромагнітного поля, що існує навколо тіл або частинок, що мають електричний заряд, а також у вільному вигляді при зміні магнітного поля (наприклад, в електромагнітних хвилях). Електричне поле може спостерігатися завдяки силовому впливу на заряджені тіла.