1-2 Электростатическое поле и закон Кулона. Электрический заряд и его свойства.
Электромагнитные силы
- определяют устойчивость атомов
- объединяют атомы и молекулы
- обуславливают взаимодействие между атомами и молекулами, приводящее к образованию конденсированных сред
Все виды сил упругости и трения имеют электромагнитную природу, взаимодействие между телами осуществляется с помощью электромагнитных волн. Велика роль электрических сил в ядре атома. Изучение и развитие электромагнетизма привело к созданию огромного количества машин, приборов, материалов. Электромагнитые силы определяют структуру материи и физические процессы в огромной области пространственных размеров – от 10-13см до 107см. Главная причина этого то, что вещество построено из электрически заряженных частиц – электронов и атомных ядер. Два вида зарядов – положительных и отрицательных – обеспечивают существование как сил притяжения, так и отталкивания. Электромагнитные взаимодействия невозможно объяснить без понятия электростатического поля. Электростатическое поле существует там, где есть неподвижные электрические заряды. Электрический заряд создает особую форму материи, электрическое поле, посредством которого осуществляется взаимодействие между зарядами. Заряд проявляет себя именно в том, что создает поле и взаимодействует с ним. В природе существует два вида электрических зарядов – положительные и отрицательные, но это деление условное. Одноименные отталкиваются, разноименные притягиваются. Силы, с которыми взаимодействуют заряды называются центральными, они направлены вдоль линии, соединяющей заряды, причем сила, действующая на заряд q1 со стороны заряда q2 равна силе, действующей на заряд q2 со стороны заряда q1 и противоположна ей по направлению.
Условно считают, что электрон обладает отрицательным элементарным зарядом е=-1.6Ч10-19Кл, а протон положительным. Помимо них электрическим зарядом обладают многие другие элементарные частицы. Электрический заряд имеет дискретную природу. Любой заряд кратен целому числу зарядов электрона . Поэтому в процессе электризации заряд тела не может изменятся непрерывно, а только дискретно, на величину заряда электрона: q=±ne. З-н сохранения электрического заряда: ?qi=const. В изолированной системе, т.е. в системе, тела которой не обмениваются зарядами с внешними по отношению к ней телами, алгебраическая сумма зарядов сохраняется. При химических реакциях меняется скорость движения электронов, однако после реакции вещество остается таким же электрически нейтральным как и до реакции. Таким образом, электрический заряд не зависит от того, движется он или покоится, т.е. он инвариантен по сравнению с системой отсчета. В электростатике используют идеализированную модель – точечный заряд – заряженное тело, линейными размерами которого можно пренебречь по сравнению с расстоянием до других заряженных тел. Пользуясь понятием точечного заряда можно описывать распределение электрического заряда по пов-ти S, по объему V или по тонкой нити длиной l. Соответственно пользуются поверхностной, объемной или линейной плотностями заряда: ?=dq/dS , ?=dq/dV, ?=dq/dl, где dS, dV, dl – это элементарные площадь, объем и длина, на которых находится точечный заряд dq. Интегрируя эти выражения, можно найти заряд, находящийся на поверхности, в объеме или на длине конечных размеров: q=S??dS … Кулон опытным путем установил, что сила взаимодействия двух точечных электрических зарядов, находящихся в вакууме, прямо пропорциональна произведению этих зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними, и направлена вдоль прямой, соединяющей заряды. k=1/4??0 – коэффициент пропорциональности в с-ме СИ, ?0 – электрическая постоянная, ?0 =8.85Ч10-12Ф/м. Если имеется система точечных зарядов, то сила, действующая на каждый из них, определяется как векторная сумма сил, действующих на данный заряд со стороны всех других зарядов с-мы. При этом сила взаимодействия данного заряда с каким-то конкретным зарядом рассчитывается так, как будто этих зарядов нет.
3-4-5. Напряженность электрического поля. Силовые линии электрического поля. Поток напряженности электрического поля и его физический смысл. Принцип суперпозиции электрических полей.
Электростатическое поле характеризуется напряженностью этого поля Е. Напряженность Е в некоторой точке электрического поля – это физическая величина, численно равная силе, действующей на помещенный в данную точку поля покоящийся единичный положительный заряд, и направленная в сторону действия силы. Точечный положительный заряд называют пробным зарядом q0, то на заряд q0 по закону Кулона будет действовать сила F=kqq0/r2 Если в одну и ту же точку поля помещать разные пробные заряды то на них будут действовать силы пропорциональные этим зарядам. Но отношение F/q0 для всех зарядов, вносимых в поле будет одинаковым и будет зависеть лишь от q и r, определяющих электрическое поле в данной точке. Поэтому величина, выражаемая формулой E=F/q0 принята в качестве основной характеристики напряженности. Напряженность – это силовая характеристика поля, которая определяет силу, действующую на единичный неподвижный пробный заряд со стороны электрического поля. Для электрического поля, созданного точечным зарядом q на расстоянии r от него, величина напряженности равна: E=kq/r2. При положительном заряде q, образующем поле, вектор напряженности E направлен вдоль радиуса от заряда, при отрицательном q- вдоль радиуса по направлению к заряду.
Если поле образовано не одним зарядом, а несколькими, то силы, действующие на пробный заряд, складываются по правилу сложения векторов. Поэтому и напряженность с-мы зарядов в данной точке поля равна векторной сумме напряженностей от каждого заряда в отдельности E=E1+E2+…=?Ei Данное положение называется принципом суперпозиции(наложения) электрических полей. Для двух точечных зарядов q1 и q2 на рис. Показано нахождение результирующего в-ра E в произвольной точке А. Заряд q1 находится на расстоянии r1 от точки А, заряд q2 на расстоянии r2 от точки А. Величина этого в-ра может быть рассчитана по ф-ле E=?E12+ E22+2 E1E2cos? , где ?-угол между в-рами E1 и E2, E1=kq1/r22 - напряженность поля, созданного зарядом q1. Если известно расстояния r между зарядами, то вычисление cos? можно провести следующим образом cos?=(r2- r12- r22)/2 r1 r2.
Электростатичекое поле наглядно можно изобразить с помощью силовых линий (линий напряженности). Силовыми линиями называют кривые, касательные которым в каждой точке совпадают с вектором напряженности Е. Силовые линии являются условным понятием и реально не существуют. Силовые линии одиночного отрицательного и одиночного положительного зарядов – радиальные прямые, выходящие от положительного заряда или идущие к отрицательному заряду. Если густота и направление силовых линий по всему объему поля сохраняются неизменными, такое электростатическое поле считается однородным (Е=const). Например, заряд, распределенный равномерно по бесконечной плоскости, создает однородное электрическое поле , силовые линии которого изображаются равноотстоящими друг от друга параллельными прямыми линиями. Для того, чтобы силовые линии характеризовали не только направление поля , но и значение его напряженности, число линий должно быть численно равно напряженности поля Е. Число силовых линий dФЕ , пронизывающих элементарную площадку dS, перпендикулярную к ним, определяет поток вектора напряженности электростатического поля: dФЕ =ЕdS=En dS, где En=Е cos? – проекция вектора Е на направление нормали n к площадке dS.
Соответственно поток вектора Е сквозь произвольную замкнутую поверхность S : dФЕ = . На разных участках поверхности S не только величина, но и знак потока могут меняться. 1) при ?/2 dФE>0, 2) при ?>?/2 dФE<0, 3) при ?=?/2 dФE=0 – это означает, что линии скользят вдоль поверхности, не пересекая ее.
7. Теорема Остроградского-Гаусса для электрического поля в вакууме.
Найдем поток вектора Е сквозь сферическую поверхность S, в центре которой находится точечный заряд q. В этом случае dФЕ =ЕdS, т.к направления Е и n во всех точках сферической поверхности совпадают. С учетом напряженности поля точечного заряда Е=(1/4??0)q/R2, получим ФЕ ==(1/4??0)q/R2=q/?0 , ФЕ – алгебраическая величина, зависящая от знака заряда. Например, при q<0 линии Е направлены к заряду и противоположны направлению внешней нормали n. Поэтому в таком случае поток отрицателен ФЕ<0. Пусть замкнутая поверхность S1 вокруг заряда q имеет произвольную форму. Очевидно, что поверхность S1 пересекается тем же числом линий Е, что и пов-ть S. Следовательно, поток вектора Е сквозь произвольную поверхность S1 также определяется полученной формулой ФЕ. Если заряд будет находится вне замкнутой пов-ти, то, очевидно, сколько линий войдет в замкнутую область, столько же из нее и выйдет. В результате поток в-ра Е будет равен нулю. Если электрическое поле создается с-мой точечных зарядов q1, q2, q3,…, то согласно принципу суперпозиции, ФЕ ==ФЕ1+ФЕ2+…=?qi/?0. Эта формула является математическим выражением теоремы Гаусса: поток в-ра напряженности Е электрического поля в вакууме через произвольную замкнутую пов-ть равен алгебраической сумме зарядов, которые она охватывает, деленной на ?0. ФЕ =?qi/?0. Для полноты описания представим теорему Гаусса еще и в локальной форме, опираясь не на интегральные соотношения а на параметры поля в данной точке пространства. Для этого удобно использовать дифференциальный оператор - дивергенцию в-ра, - divE . Его часто записывают как скалярное произведение оператора векторного дифференцирования (“набла”) - на векторную функцию divE= Е. В математическом анализе известна формула Гаусса-Остроградского: поток вектора через замкнутую пов-ть равен интегралу от его дивергенции по объему, ограниченному этой пов-тью, - . Суммарный электрический заряд можно выразить через объемную плотность заряда ?: ?i qi=?V?dV. Поскольку пов-ть интегрирования выбраны произвольно, то dive=?/?0. Это выражение и есть теорема Гаусса в дифференциальной форме.
8. Применение теоремы Гаусса для расчета электрического поля равномерно заряженной бесконечной плоскости.
Пусть поверхностная плотность заряда, находящегося на бесконечной плоскости всюду одинакова. Из симметрии видно, что линии в-ра Е перпендикулярны пл-ти и густота их везде одинакова. Построим замкнутую пов-ть в виде цилиндра, боковая пов-ть которого перпендикулярна плоскости. Поток линий Е сквозь боковую пов-ть цилиндра равен нулю, а во всех точках оснований Еn=Е=const. Следовательно, полный поток будет равен потоку Еn через два основания цилиндра ФЕ =E=2ES=2E?r2. Так как заряд, находящийся внутри цилиндра, равен q=??r2 то Е=?/(2?0). Как следует из этой ф-лы, напряженность поля не зависит от расстояния до заряженной пл-ти, т.е. поле бесконечно заряженной пл-ти является однородным.
9. Применение теоремы Гаусса для расчета электрического поля равномерно заряженной сферической поверхности.
Предположим, что сферическая пов-ть радиуса R несет на себе равномерно распределенный заряд q, т.е. поверхностная плотность заряда всюду одинаковая ?=const. Через произвольную точку, находящуюся на расстоянии r>R от центра сферы мысленно построим новую сферу симметричную заряженной сфере. В соответствии с теоремой Гаусса ФЕ=Е4?r2=q/?0, следовательно, Е= q/(4?r2?0). Для точек, находящихся на пов-ти заряженной сферы радиуса R можно записать Е= q/(4?R2?0). Любая замкнутая пов-ть, построенная внутри заряженной сферы, не содержит внутри себя электрических зарядов, поэтому поток ФЕ, согласно теореме Гаусса, равен нулю, а следовательно и величина напряженности электрического поля будет равна нулю.
10. Применение теоремы Гаусса для расчета электрического поля равномерно заряженного шара. Введем понятие объемной плотности заряда ?, численно равной заряду единицы объема: .
Пусть радиус шара равен R,полный заряд шара равен Q и ?=const. Вне и внутри шара поле, очевидно, буде сферически симметричным, поэтому в качестве замкнутых поверхностей выбираем две концентрические сферы радиусами R1 меньше и R2 больше R с центрами в центре шара:
Внутри поверхности S2 радиуса R2 сосредоточен полный заряд шара Q, так что поле вне шара, как это следует из теоремы Гаусса, идентично полю точечного заряда Q, помещенного в центр шара: . Внутри же внутренней сферы S1 радиуса R1 сосредочен заряд, равный произведению объемной плотности заряда на объем сферы:
где . Полный заряд шара Q и заряд внутреннего объема радиуса R1 Q1 соотносятся как кубы радиусов:
Подставим выражение для Q1 в теорему Гаусса
11. Работа сил электростатического поля.
Рассмотрим электрическое поле, созданное неподвижным зарядом q, в котором перемещается заряд q0 из точки 1 в точку 2. На траектории движения заряда q0 выделим бесконечно малый отрезок dl и вычислим элементарную работу:dA =Fdlcos?=q0q/(4?r2?0)dr где ? – угол между радиус-вектором r и перемещением dl,dr=dlcos? – проекция перемещения dl на направление радиус-вектора, Е=q/(4?r2?0)- напряженность поля точечного заряда на расстоянии r от него. Полная работа, совершаемая при перемещении пробного заряда q0 из точки 1 в точку : А12=1?2dA = q0q/(4??0) 1?2dr/r2= q0q/(4??0)[-1/r]|r2r1= q0q/(4??0)(1/r1-1/r2). Работа, совершаемая силами электрического поля по перемещению заряда не зависит от пути перехода , а является функцией начального r1 и конечного r2 расстояний между зарядом q, создающим поле, и зарядом q0, в нем перемещающимся. Силовое поле, обладающее таким свойством, называется потенциальным. А силы, работа которых не зависит от формы траектории, называются консервативными, сл-но, электростатические силы консервативны.
12. Теорема о циркуляции напряженности электрического поля.
Работа консервативных сил на замкнутой траектории равна нулю, т.е. = 0 или = 0 .Такой интеграл называют циркуляцией: циркуляция вектора Е равна нулю. Физический смысл этого утверждения заключается в том, что линии вектора Е не могут быть замкнутыми, они всегда начинаются и заканчиваются на электрических зарядах, и электростатическое поле безвихревое.
13. Потенциал электрического поля. Эквипотенциальные поверхности. Работа консервативных сил равна убыли потенциальной энергии, т.е. А12= U1- U2 . Потенциальная энергия распределяется с точностью до некоторой постоянной С, за выражение потенциальной энергии можно принять U1 = + С , U2 = + С.Функция U (r) должна рассматриваться как потенциальная энергия взаимодействия точечных зарядов q΄ и q , находящихся на расстоянии r друг от друга.Работа А12 и потенциальная энергия U пропорциональны величине пробного заряда q΄. Отношение U/q0 = зависящее от положения пробного заряда, но не зависящее от его численной величины характеризует свойства электрического поля в данной его точке и называется потенциалом этой точки. Тогда работа по перемещению заряда q0 в электростатическом поле определяется произведением величины переносимого заряда на разность потенциалов начальной и конечной точек путиА12=q0(1–2)Потенциал бесконечно удаленной точки равен нулю, т.к. Поэтому можно определить потенциал электрического поля как физическую величину, равную работе, совершаемой силами поля при перемещении единичного положительного заряда (q0 = +1) по любому пути из данной точки в бесконечностьПотенциал – скалярная величина, являющаяся энергетической характеристикой электростатического поля. Когда поле образовано несколькими неподвижными зарядами q1, q2, q3 , …, потенциал его в данной точке равен алгебраической сумме потенциалов 1, 2, 3 , …, создаваемых каждым зарядом в отдельности, т.е. =?Если заряды q1, q2, q3 , … можно считать точечными, то суммарный потенциал будет равен =k(q1/r1+ q2/r2+…+ qn/rn), где r1, r2, …. rn – расстояние от зарядов соответственно q1, q2, q3 , … qn до данной точки поля. Эквипотенциальные поверхности. Для графического изображения распределения потенциала в электростатическом поле пользуются системой так называемых поверхностей равного потенциала или эквипотенциальных поверхностей. Каждая такая поверхность представляет собой совокупность всех точек поля, имеющих одно и то же значение потенциала = const . Для точечного заряда q потенциал определяется выражением =q/(4??0r) т.е. убывает обратно пропорционально расстоянию r от источника поля. Для точечного положительного заряда силовые линии Е изображены векторами, а пунктиром – эквипотенциальные поверхности – это сферические поверхности, значения потенциалов которых и
Можно доказать, что вектор Е всюду перпендикулярен по отношению к эквипотенциальным поверхностям. В противном случае изменилась бы составляющая вектора Е? , параллельная эквипотенциальной поверхности, и работа электрического поля по перемещению заряда q вдоль эквипотенциальной поверхности не равнялась бы нулю. А=?qЕ?dS?0. По определению эквипотенциальной поверхности этого быть не может: А=q(- )=0, т.к. Для бесконечной заряженной плоскости силовые линии вектора Е перпендикулярны плоскости. Эквипотенциальные линии, перпендикулярные к силовым, изображены пунктиром, они представляют собой плоскости, параллельные равномерно заряженной бесконечной плоскости. Эта взаимная перпендикулярность силовых линий поля и эквипотенциальных поверхностей остается справедливой и для сколь угодно сложных электростатических полей.
14. Связь напряженности и потенциала электрического поля.
Пусть через точку 1 проходит эквипотенциальная поверхность, потенциал которой , через точку 2 – эквипотенциальная поверхность с потенциалом +d. Отрезок 1-2 имеет длину dn и представляет собой кратчайшее расстояние между эквипотенциальными поверхностями. При перемещении пробного заряда q0 из точки 1 в точку 2 будет совершена работа dA , dA = q0Edn. Эту же работу можно выразить с помощью уравнения dA = q0( – ( +d) )= -q0d. Сравнивая два выражения для работы, получим Е=-d/dn. Величина d / dn , характеризующая быстроту изменения потенциала в пространстве, носит название градиента потенциала grad. Градиент есть вектор, направленный по нормали к поверхности. Знак минус в формуле показывает, что вектор напряженности электрического поля численно равен градиенту потенциала, но направлен в противоположную сторону, т.е. в сторону падения потенциала. Если провести из точки 1 координатную ось, например ось х, то, вычисляя работу на перемещении dx , получим q0Eхdх = - q0d . Отсюда Ex=-d/dx. Полученный результат означает, что составляющая вектора напряженности электрического поля в данной точке по любому направлению равна производной от потенциала по этому направлению в той же точке, взятой с отрицательным знаком. Пользуясь посл. формулой, можно, зная потенциал поля , найти вектор Е, определив все его три составляющие Ех, Еу , Еz : Е = i Ех + j Еу + k Еz = - (i d/dx + j d/dy + k d/dz ) = - grad . Проинтегрировав уравнение: 2 ?1d=-2 ?1Exdx, получим связь напряженности и потенциала в интегральном виде 2 – 1 = -2 ?1Exdx или 2 – 1 = 2 ?1Exdx
16. Вектор электрического смещения. Теорема Гаусса для электрического поля в диэлектрике.
Заряженное тело содержит в себе так называемые свободные заряды: электроны или положительно (отрицательно) заряженные ионы. Электрический диполь, хотя он электрически нейтрален, также содержит в себе отрицательный и положительный заряды. Эти заряды называются связанными. Электрические поля связанных зарядов при хаотичном расположении диполей взаимно компенсируют друг друга. Во внешнем электрическом поле Е0 диполи ориентируются и связанные заряды q΄ остаются несомпенсированными на противоположных поверхностях диэлектрика. Они создают внутри диэлектрика электростатические поле, вектор напряженности которого Е΄ противоположен вектору напряженности Е0 внешнего поля. В результате внутри диэлектрика (рис.66) суммарное поле меньше напряженности поля, создаваемого зарядами в вакууме, и равно Е = Е0 - Е΄ .
Связанные заряды q΄ , как и свободные q , служат источником линий электрического поля. Поэтому теорему Гаусса с учетом связанных зарядов следует представлять в виде = (q΄ + q) / ?0. Пользоваться этой формулой для вычисления поля в диэлектрике не совсем удобно, т.к. в нее входят две неизвестные: Е и q΄. Для этого вводят электрическое смещение или вектор электрической индукции D: D = ?0Е + Р. Тогда вместо нее получаем теорему Гаусса для поля вектора D: = q поток вектора D сквозь замкнутую поверхность равен сумме свободных зарядов, охваченных этой поверхностью. Таким образом, вектор D удобен тем, что его поток можно рассчитать по одним только свободным зарядам, независимо от того, имеется ли диэлектрик: линии вектора D начинаются и заканчиваются только на свободных зарядах. В то же время формула позволяет по вектору D определить вектор Е. Подставив P=??0E в D = ?0Е + Р, получим D= ?0 ? Е, где ? = 1 + ? – диэлектрическая проницаемость вещества, безразмерная величина. Обобщение теоремы Гаусса на случай поля в диэлектрике: =q/ (?0 ?) Диэлектрическая проницаемость ? - безразмерная величина, которая показывает, во сколько раз ослабляется напряженность поля в диэлектрике по сравнению с вакуумом. Покажем это, используя рис.. В отсутствие диэлектрика напряженность поля определяется формулой Е0 = ? / ?0 (?- поверхностная плотность свободных зарядов). Следовательно, в отсутствие диэлектрика (?=1) D=?0E=?. Если между пластинами поместить диэлектрик, то значение D не изменится (т.к. оно определяется только свободными зарядами). Зато значение Е изменится: E=D/( ?0 ?)=?/( ?0 ?)=E0/?. Физический смысл диэлектрической проницаемости ?. Диэлектрическая проницаемость показывает не только, во сколько раз уменьшается напряженность (а значит и густота силовых линий) электрического поля внутри диэлектрика, но и во сколько раз уменьшается сила взаимодействия зарядов (в законе Кулона в знаменателе появляется ?). В жидком диэлектрике, например, уменьшается сила притяжения между отрицательными и положительными зарядами в нейтральных молекулах. Вследствие этого под действием ударов, вызванных тепловым движением, нейтральная молекула может разделиться на положительный и отрицательный ионы. Такой процесс происходит, например, в электролитах (растворах солей, кислот, щелочей) и называется электролитической диссоциацией. В результате диссоциации возникают свободные заряды, которые делают жидкость электропроводной. 0>