РАЗДЕЛ 1. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЦЕПИ ПОСТОЯННОГО ТОКА
ТЕМА 1.1 ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ
ЛЕКЦИЯ 1. ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ, ЕГО ХАРАКТЕРИСТИКИ. ТЕОРЕМА ГАУССА
Рассмотрение данной темы начинаем с понятия об основных формах материи: веществе и поле.
Все вещества, как простые, так и сложные, состоят из молекул, а молекулы – из атомов.
Молекула – мельчайшая частица вещества, которая сохраняет его химические свойства.
Атом – мельчайшая частица химического элемента, которая сохраняет его свойства. Атом состоит из положительно заряженного ядра, в состав которого входят протоны и нейтроны (нуклоны), и отрицательно заряженных электронов, расположенных на оболочках вокруг ядра на различном расстоянии от него. Если говорят, что атом электрически нейтрален, это значит, что число электронов на оболочках равно числу протонов в ядре, т.к. нейтрон заряда не имеет.
Электрический заряд – физическая величина, определяющая интенсивность электромагнитного взаимодействия. Заряд частицы обозначается q и измеряется в Кл (Кулон) в честь французского ученого Шарля Кулона. Элементарным (неделимым) зарядом обладает электрон, его заряд равен qе = -1,6×10-19 Кл. Заряд протона по модулю равен заряду электрона, т. е. qр = 1,6×10-19 Кл, следовательно, бывают положительные и отрицательные электрические заряды. Причем, одноименные заряды отталкиваются, а разноименные – притягиваются.
Если тело заряжено, это значит, что в нем преобладают заряды какого-то одного знака («+» или «-»), в электрически нейтральном теле число «+» и «-» зарядов равно.
Заряд всегда связан с какой-то частицей. Существуют частицы, не имеющие электрического заряда (нейтрон), но не существует заряда без частицы.
С понятием электрического заряда неразрывно связано понятие электрического поля. Существует несколько видов полей:
- электростатическое поле – это электрическое поле неподвижных заряженных частиц;
- электрическое поле – это материя, которая окружает заряженные частицы, неразрывно с ними связана и оказывает силовое воздействие на электрически заряженное тело, внесенное в пространство, заполненное этим видом материи;
- магнитное поле – это материя, которая окружает любое движущееся заряженное тело;
- электромагнитное поле характеризуется двумя взаимосвязанными сторонами – составляющими: магнитным полем и электрическим, которые выявляются по силовому воздействию на заряженные частицы или тела.
Как определить, существует ли электрическое поле в данной точке пространства или нет? Мы не можем пощупать поле, увидеть его или понюхать. Для определения существования поля необходимо внести в любую точку пространства пробный (точечный) электрический заряд q0.
Заряд называется точечным, если его линейные размеры весьма малы по сравнению с расстоянием до тех точек, в которых определяется его поле.
Пусть поле создается положительным зарядом q. Для определения величины поля этого заряда необходимо в любую точку пространства, окружающего этот заряд, внести пробный заряд q0. Тогда со стороны электрического поля заряда +q на заряд q0 будет действовать некоторая сила.
Эту силу можно определить, используя закон Кулона: величина силы, с которой на каждый из двух точечных тел действует их общее электрическое поле, пропорциональна произведению зарядов этих тел, обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними и зависит от среды, в которой находятся эти тела:
F = q1×q2/4pee0r2,
где 1/4pee0 = k = 9×109 Н×м2/Кл2;
q1, q2 – заряды частиц;
r – расстояние между частицами;
e0 – абсолютная диэлектрическая проницаемость вакуума (электрическая постоянная, равная: e0 = 8,85×10-12 Ф/м);
e - абсолютная диэлектрическая проницаемость среды, показывающая во сколько раз в среде электрическое поле меньше, чем в вакууме.
Характеристики электрического поля:
1. силовая характеристика – напряженность (Е) – это векторная физическая величина, численно равная отношению силы, действующей на заряд, помещенный в данную точку поля, к величине этого заряда: Е = F/q; [E] = [ 1 Н/Кл ] = [1 В/м ]
Графически электрическое поле изображают с помощью силовых линий – это линии, касательные к которым в каждой точке пространства совпадают с направлением вектора напряженности.
Силовые линии электрического поля незамкнуты, они начинаются на положительных зарядах и заканчиваются на отрицательных:
Пусть у нас имеются:
а) два положительных заряда q1 и q2;
б) два отрицательных заряда q3 и q4;
в) положительный заряд q5 и отрицательный заряд q6
Необходимо найти напряженность поля, созданного этими зарядами в некоторых точках пространства (А, В, С).
Принцип суперпозиции: если поле создано несколькими электрическими зарядами, то напряженность такого поля равна векторной (геометрической) сумме напряженностей полей отдельных зарядов: Еобщ = Е1 + Е2 + Е3 + … + Еn
Электрическое поле называется однородным, если вектор напряженности Е одинаков по модулю и по направлению в любой точке поля, а силовые линии поля параллельны между собой и находятся на одинаковом расстоянии друг от друга.
Пусть у нас имеется однородное электрическое поле, например, поле между обкладками плоского конденсатора, в котором положительный точечный заряд q перемещается под действием силы со стороны этого поля из точки А в точку В на расстояние l.
При этом электрическое поле будет совершать работу, равную:
А = Fl, где F =Eq, т.е. А = Eql - работа поля по перемещению электрического заряда q из одной точки поля в другую.
Величина, равная отношению работы по перемещению точечного положительного заряда между двумя точками поля к величине этого заряда, называется электрическим напряжением между указанными точками: U = A/q = Eql/q = E×l [U] = [1Дж/Кл ] = [1 В ].
Работа электрического поля не зависит от формы траектории, следовательно, она равна изменению потенциальной энергии, взятой с обратным знаком: А = -DЕпот = -DЕр. На замкнутой траектории работа поля равна нулю.
Потенциальная энергия всегда связана с выбором нулевого (начального) уровня, однако, в данном случае выбор нулевого уровня относителен. Физический смысл имеет не сама потенциальная энергия, а ее изменение, т.к. именно за счет изменения потенциальной энергии совершается работа. И чем больше ее изменение, тем больше работа поля.
2. энергетическая характеристика – потенциал j - это скалярная физическая величина, равная отношению потенциальной энергии заряда, необходимой для его перемещения из одной точки поля в другую, к величине этого заряда: j = DЕр/q. [j] = [1 Дж/Кл ] =
[1 В ].
Dj = j2 - j1 – изменение потенциала;
U = j1 - j2 - разность потенциалов (напряжение)
Физический смысл напряжения: U = j1 - j2 = А/q - - напряжение численно равно отношению работы по перемещению заряда из начальной точки поля в конечную к величине этого заряда.
U = 220 В в сети означает, что при перемещении заряда в 1 Кл из одной точки поля в другую, поле совершает работу в 220 Дж.
Теорема Гаусса
Произведение напряженности электрического поля Е и площади S, во всех точках которой напряженность одинакова, т.е. поле однородно, и перпендикулярна к ней, составляет поток вектора напряженности: N = ES .
Если поверхность неоднородна, то при вычислении потока вектора напряженности через нее необходимо разбить эту поверхность на малые элементы DS, в пределах которых Е = const, тогда поток через отдельные элементарные площадки будет равен: DN = En×DS, а поток вектора Е через всю поверхность находится суммированием элементарных потоков:
N = SDN = SEn×DS.
Теорема Гаусса: если у нас имеется замкнутая поверхность, на которой находятся заряженные тела (заряды), то поток вектора напряженности электрического поля сквозь замкнутую поверхность равен отношению суммы зарядов (Q), расположенных внутри этой поверхности, к абсолютной диэлектрической проницаемости среды: N = Q/ee0
Комментариев нет:
Отправить комментарий