Energija u formuli elektrostatike. Elektrostatika. Osnovni koncepti. Električno punjenje. Zakon održanja električnog naboja. Coulombov zakon. Načelo superpozicije. Teorija bliskog djelovanja. Potencijal električnog polja. Kondenzator. elektrostatika i život
Enciklopedijski YouTube
-
1 / 5
Temelje elektrostatike postavili su radovi Coulomba (iako je desetak godina prije njega Cavendish dobio iste rezultate, čak i s još većom točnošću. Rezultati Cavendisheva rada čuvani su u obiteljskom arhivu, a objavljeni su tek stotinjak godina kasnije) ; zakon električnih međudjelovanja koji je pronašao potonji omogućio je Greenu, Gaussu i Poissonu stvaranje matematički elegantne teorije. Najvažniji dio elektrostatike je teorija potencijala koju su stvorili Green i Gauss. Velik dio eksperimentalnih istraživanja elektrostatike proveo je Rees, čije su knjige u prijašnjim vremenima bile glavna pomoć u proučavanju ovih pojava.
Dielektrična konstanta
Pronalaženje vrijednosti dielektričnog koeficijenta K bilo koje tvari, koeficijenta uključenog u gotovo sve formule koje se moraju koristiti u elektrostatici, može se učiniti vrlo različiti putevi. Najčešće korištene metode su sljedeće.
1) Usporedba električnih kapaciteta dvaju kondenzatora iste veličine i oblika, ali od kojih jedan ima izolacijski sloj zraka, a drugi ima sloj dielektrika koji se ispituje.
2) Usporedba privlačnosti između površina kondenzatora, kada se određena razlika potencijala prijavljuje tim površinama, ali u jednom slučaju postoji zrak između njih (sila privlačnosti \u003d F 0), u drugom slučaju - ispitni tekući izolator (sila privlačenja \u003d F). Dielektrični koeficijent nalazi se po formuli:
K = F 0 F . (\displaystyle K=(\frac (F_(0))(F)).)3) Promatranja električnih valova (vidi Električne oscilacije) koji se šire duž žica. Prema Maxwellovoj teoriji, brzina širenja električnih valova duž žica izražava se formulom
V = 1 K μ . (\displaystyle V=(\frac (1)(\sqrt (K\mu ))).)u kojem K označava dielektrični koeficijent medija koji okružuje žicu, μ označava magnetsku permeabilnost tog medija. Moguće je postaviti μ = 1 za veliku većinu tijela i stoga ispada
V = 1 K. (\displaystyle V=(\frac (1)(\sqrt (K))).)Obično se uspoređuju duljine stojnih električnih valova koji nastaju u dijelovima iste žice u zraku i u ispitivanom dielektriku (tekućini). Određivanjem ovih duljina λ 0 i λ dobivamo K = λ 0 2 / λ 2. Prema Maxwellovoj teoriji, slijedi da kada se u bilo kojoj izolacijskoj tvari pobudi električno polje, unutar te tvari dolazi do posebnih deformacija. Duž indukcijskih cijevi izolacijski medij je polariziran. U njoj nastaju električni pomaci, koji se mogu usporediti s gibanjima pozitivnog elektriciteta u smjeru osi ovih cijevi, a kroz svaki presjek cijevi prolazi količina elektriciteta jednaka
D = 1 4 π K F . (\displaystyle D=(\frac (1)(4\pi ))KF.)Maxwellova teorija omogućuje pronalaženje izraza za one unutarnje sile (sile napetosti i tlaka) koje se pojavljuju u dielektricima kada se u njima pobudi električno polje. Tim se pitanjem prvi bavio sam Maxwell, a kasnije i temeljitije Helmholtz. Daljnji razvoj teorije o ovom pitanju i teorije elektrostrikcije (odnosno teorije koja razmatra pojave koje ovise o pojavi posebnih napona u dielektricima kada se u njima pobudi električno polje) pripada radovima Lorberga, Kirchhoffa, P. Duhem, N. N. Schiller i neki drugi.
Granični uvjeti
Zaključimo ovaj sažetak najvažnijeg odjela elektrostrikcije razmatranjem pitanja loma indukcijskih cijevi. Zamislimo dva dielektrika u električnom polju, međusobno odvojena nekom površinom S, s koeficijentima dielektričnosti K 1 i K 2 .
Neka su u točkama P 1 i P 2 koje se nalaze beskonačno blizu površine S s obje strane, veličine potencijala izražene kroz V 1 i V 2, a veličine sila kojima djeluje jedinica pozitivnog elektriciteta postavljena na te točke kroz F 1 i F 2. Tada bi za točku P koja leži na samoj površini S trebalo biti V 1 = V 2,
d V 1 d s = d V 2 d s , (30) (\displaystyle (\frac (dV_(1))(ds))=(\frac (dV_(2))(ds)),\qquad (30))ako ds predstavlja infinitezimalni pomak duž crte presjeka ravnine tangente na površinu S u točki P s ravninom koja prolazi kroz normalu na površinu u toj točki i kroz pravac električne sile na njoj. S druge strane, trebalo bi biti
K 1 d V 1 d n 1 + K 2 d V 2 d n 2 = 0. (31) (\displaystyle K_(1)(\frac (dV_(1))(dn_(1)))+K_(2)( \frac (dV_(2))(dn_(2)))=0.\qquad (31))Označimo s ε 2 kut koji čini sila F2 s normalom n2 (unutar drugog dielektrika), a kroz ε 1 kut koji čini sila F 1 s istom normalom n 2 Zatim, koristeći formule (31) i (30 ), pronašli smo
t g ε 1 t g ε 2 = K 1 K 2 . (\displaystyle (\frac (\mathrm (tg) (\varepsilon _(1)))(\mathrm (tg) (\varepsilon _(2))))=(\frac (K_(1))(K_( 2))).)Dakle, na površini koja razdvaja dva dielektrika jedan od drugog, električna sila mijenja svoj smjer, poput svjetlosne zrake koja ulazi iz jednog medija u drugi. Ova posljedica teorije opravdana je iskustvom.
Električno punjenje je fizikalna veličina koja karakterizira sposobnost čestica ili tijela da stupaju u elektromagnetske interakcije. Električni naboj obično se označava slovima q ili Q. U SI sustavu, električni naboj se mjeri u Coulomb (C). Besplatno punjenje od 1 C je ogromna količina naboja, koja se praktički ne nalazi u prirodi. U pravilu ćete imati posla s mikrokulonima (1 μC = 10 -6 C), nanokulonima (1 nC = 10 -9 C) i pikokulonima (1 pC = 10 -12 C). Električni naboj ima sljedeća svojstva:
1. Električni naboj je vrsta materije.
2. Električni naboj ne ovisi o gibanju čestice i o njezinoj brzini.
3. Naboji se mogu prenositi (npr. izravnim kontaktom) s jednog tijela na drugo. Za razliku od mase tijela, električni naboj nije svojstvena karakteristika danog tijela. Isto tijelo u različitim uvjetima može imati različit naboj.
4. Postoje dvije vrste električnih naboja, konvencionalno nazvanih pozitivan I negativan.
5. Svi naboji međusobno djeluju. Istovremeno, slični se naboji odbijaju, za razliku od naboja koji se privlače. Sile međudjelovanja naboja su središnje, odnosno leže na ravnoj crti koja povezuje središta naboja.
6. Postoji najmanji mogući (modulo) električni naboj, tzv elementarni naboj. Njegovo značenje:
e= 1,602177 10 -19 C ≈ 1,6 10 -19 C
Električni naboj bilo kojeg tijela uvijek je višekratnik elementarnog naboja:
Gdje: N je cijeli broj. Imajte na umu da je nemoguće imati naplatu jednaku 0,5 e; 1,7e; 22,7e i tako dalje. Nazivaju se fizičke veličine koje mogu poprimiti samo diskretne (ne kontinuirane) nizove vrijednosti kvantiziran. Elementarni naboj e je kvant (najmanji dio) električnog naboja.
U izoliranom sustavu algebarski zbroj naboja svih tijela ostaje konstantan:
Zakon o održanju električnog naboja kaže da se u zatvorenom sustavu tijela ne mogu promatrati procesi rađanja ili nestanka naboja samo jednog predznaka. To također proizlazi iz zakona održanja naboja ako dva tijela iste veličine i oblika imaju naboje q 1 i q 2 (nije važno kojeg su predznaka naboji), dovesti u kontakt, a zatim ponovno razdvojiti, tada će naboj svakog od tijela postati jednak:
Sa suvremenog gledišta, nositelji naboja su elementarne čestice. Sva obična tijela sastoje se od atoma, među kojima su i pozitivno nabijeni protoni, negativno nabijen elektroni i neutralne čestice neutroni. Protoni i neutroni dio su atomskih jezgri, elektroni čine elektronsku ljusku atoma. Električni naboji protona i elektrona modulo su potpuno isti i jednaki elementarnom (tj. minimalnom mogućem) naboju e.
U neutralnom atomu broj protona u jezgri jednak je broju elektrona u ljusci. Taj se broj naziva atomski broj. Atom određene tvari može izgubiti jedan ili više elektrona ili dobiti dodatni elektron. U tim se slučajevima neutralni atom pretvara u pozitivno ili negativno nabijen ion. Imajte na umu da su pozitivni protoni dio jezgre atoma, pa se njihov broj može mijenjati samo tijekom nuklearnih reakcija. Očito, kod elektrifikacije tijela ne dolazi do nuklearnih reakcija. Stoga se u bilo kojoj električnoj pojavi ne mijenja broj protona, mijenja se samo broj elektrona. Dakle, dati tijelu negativan naboj znači prenijeti mu dodatne elektrone. I poruka pozitivnog naboja, nasuprot uobičajena pogreška, ne znači dodavanje protona, već oduzimanje elektrona. Naboj se može prenijeti s jednog tijela na drugo samo u dijelovima koji sadrže cijeli broj elektrona.
Ponekad se u problemima električni naboj rasporedi po nekom tijelu. Da bismo opisali ovu distribuciju, uvode se sljedeće veličine:
1. Linearna gustoća naboja. Koristi se za opisivanje distribucije naboja duž filamenta:
Gdje: L- duljina niti. Mjereno u C/m.
2. Gustoća površinskog naboja. Koristi se za opisivanje raspodjele naboja po površini tijela:
Gdje: S je površina tijela. Mjereno u C / m 2.
3. Nasipna gustoća naboja. Koristi se za opisivanje raspodjele naboja po volumenu tijela:
Gdje: V- volumen tijela. Mjereno u C / m 3.
Imajte na umu da masa elektrona jednako je:
mi\u003d 9,11 ∙ 10 -31 kg.
Coulombov zakon
točkasti naboj nazivamo nabijenim tijelom, čije se dimenzije mogu zanemariti u uvjetima ovog problema. Na temelju brojnih eksperimenata Coulomb je ustanovio sljedeći zakon:
Sile međudjelovanja naboja fiksne točke izravno su proporcionalne umnošku modula naboja i obrnuto proporcionalne kvadratu udaljenosti između njih:
Gdje: ε – dielektrična permitivnost medija – bezdimenzionalna fizikalna veličina koja pokazuje koliko će puta sila elektrostatskog međudjelovanja u određenom mediju biti manja nego u vakuumu (tj. koliko puta medij slabi međudjelovanje). Ovdje k- koeficijent u Coulombovom zakonu, vrijednost koja određuje brojčanu vrijednost sile međudjelovanja naboja. U SI sustavu, njegova vrijednost je jednaka:
k= 9∙10 9 m/F.
Sile međudjelovanja točkastih stacionarnih naboja pridržavaju se trećeg Newtonovog zakona i međusobno se odbijaju s istim predznacima naboja i sile privlačenja jedna prema drugoj s različite znakove. Interakcija fiksnih električnih naboja naziva se elektrostatski ili Coulombova interakcija. Dio elektrodinamike koji proučava Coulombovu interakciju naziva se elektrostatika.
Coulombov zakon vrijedi za točkasta nabijena tijela, jednoliko nabijene kugle i lopte. U ovom slučaju za udaljenosti r uzeti razmak između središta sfera ili kuglica. U praksi, Coulombov zakon je dobro ispunjen ako su dimenzije nabijenih tijela puno manje od udaljenosti između njih. Koeficijent k u SI sustavu se ponekad piše kao:
Gdje: ε 0 \u003d 8,85 10 -12 F / m - električna konstanta.
Iskustvo pokazuje da se sile Coulombove interakcije pokoravaju principu superpozicije: ako nabijeno tijelo djeluje istovremeno s nekoliko nabijenih tijela, tada rezultirajuća sila koja djeluje na dato tijelo, jednak je vektorskom zbroju sila koje na ovo tijelo djeluju od strane svih ostalih naelektriziranih tijela.
Zapamtite i dvije važne definicije:
dirigenti- tvari koje sadrže slobodne nositelje električnog naboja. Unutar vodiča moguće je slobodno kretanje elektrona - nositelja naboja ( struja). Vodiči uključuju metale, otopine i taline elektrolita, ionizirane plinove i plazmu.
Dielektrici (izolatori)- tvari u kojima nema slobodnih nositelja naboja. Slobodno kretanje elektrona unutar dielektrika je nemoguće (kroz njih ne može teći električna struja). To su dielektrici koji imaju određenu permitivnost koja nije jednaka jedinici ε .
Za permitivnost tvari vrijedi sljedeće (o tome što je električno polje malo niže):
Električno polje i njegov intenzitet
Prema suvremenim konceptima, električni naboji ne djeluju izravno jedan na drugog. Svako nabijeno tijelo stvara u okolnom prostoru električno polje. Ovo polje djeluje silom na druga nabijena tijela. Glavno svojstvo električnog polja je djelovanje određene sile na električne naboje. Dakle, interakcija nabijenih tijela ne provodi se njihovim izravnim utjecajem jedno na drugo, već kroz električna polja koja okružuju nabijena tijela.
Električno polje koje okružuje nabijeno tijelo može se istražiti pomoću tzv. probnog naboja - malog točkastog naboja koji ne unosi zamjetnu preraspodjelu ispitivanih naboja. Da bi se kvantificiralo električno polje, uvodi se karakteristika sile - jakost električnog polja E.
Jakost električnog polja naziva se fizikalna veličina jednaka omjeru sile kojom polje djeluje na probni naboj smješten u danoj točki polja i veličine tog naboja:
Jakost električnog polja je vektorska fizikalna veličina. Smjer vektora napetosti podudara se u svakoj točki prostora sa smjerom sile koja djeluje na pozitivni probni naboj. Električno polje stacionarnih i vremenom nepromjenjivih naboja naziva se elektrostatičko.
Za vizualna prezentacija koristi se električno polje linije sile. Te se linije povlače tako da se smjer vektora napetosti u svakoj točki podudara sa smjerom tangente na liniju sile. Linije sila imaju sljedeća svojstva.
- Linije sile elektrostatičkog polja nikada se ne sijeku.
- Linije sile elektrostatskog polja uvijek su usmjerene od pozitivnih naboja prema negativnim.
- Kada se električno polje prikazuje pomoću linija sile, njihova gustoća treba biti proporcionalna modulu vektora jakosti polja.
- Linije sile počinju na pozitivnom naboju ili beskonačno, a završavaju na negativnom naboju ili beskonačno. Gustoća linija je veća što je napetost veća.
- U određenoj točki prostora može proći samo jedna linija sile jer jakost električnog polja u određenoj točki prostora je jedinstveno određena.
Električno polje se naziva homogenim ako je vektor intenziteta isti u svim točkama polja. Na primjer, ravni kondenzator stvara jednolično polje - dvije ploče nabijene jednakim i suprotnim nabojem, odvojene slojem dielektrika, a udaljenost između ploča je mnogo manja od veličine ploča.
U svim točkama uniformnog polja po naboju q, uveden u jednolično polje s intenzitetom E, postoji sila iste veličine i smjera jednaka F = jednadžba. Štoviše, ako naboj q pozitivna, tada se smjer sile podudara sa smjerom vektora napetosti, a ako je naboj negativan, tada su vektor sile i napetosti suprotno usmjereni.
Pozitivni i negativni točkasti naboji prikazani su na slici:
Princip superpozicije
Ako se električno polje koje stvara nekoliko nabijenih tijela istražuje pomoću probnog naboja, tada se ispostavlja da je rezultirajuća sila jednaka geometrijskom zbroju sila koje djeluju na probni naboj iz svakog nabijenog tijela zasebno. Prema tome, jakost električnog polja koju stvara sustav naboja u određenoj točki prostora jednaka je vektorskom zbroju jakosti električnih polja koje u istoj točki stvaraju naboji zasebno:
Ovo svojstvo električnog polja znači da se polje pokorava princip superpozicije. U skladu s Coulombovim zakonom, jakost elektrostatskog polja stvorenog točkastim nabojem Q na daljinu r iz njega, jednak je po modulu:
Ovo polje se naziva Coulombovo polje. U Coulombovom polju smjer vektora intenziteta ovisi o predznaku naboja Q: Ako Q> 0, tada je vektor intenziteta usmjeren od naboja, ako Q < 0, то вектор напряженности направлен к заряду. Величина напряжённости зависит от величины заряда, среды, в которой находится заряд, и уменьшается с увеличением расстояния.
Jačina električnog polja koju nabijena ravnina stvara blizu svoje površine:
Dakle, ako se u zadatku traži odrediti jakost polja sustava naboja, tada je potrebno postupiti prema sljedećem algoritam:
- Nacrtaj crtež.
- Nacrtajte jakost polja svakog naboja posebno u željenoj točki. Zapamtite da je napetost usmjerena prema negativnom naboju, a od pozitivnog naboja.
- Izračunajte svaku od napetosti pomoću odgovarajuće formule.
- Zbrojite vektore naprezanja geometrijski (tj. vektorski).
Potencijalna energija međudjelovanja naboja
Električni naboji djeluju međusobno i s električnim poljem. Svaka interakcija opisuje se potencijalnom energijom. Potencijalna energija međudjelovanja dva točkasta električna naboja izračunava se formulom:
Obratite pozornost na nedostatak modula u nabojima. Za suprotne naboje energija međudjelovanja ima negativno značenje. Ista formula vrijedi i za energiju međudjelovanja jednoliko nabijenih kuglica i kuglica. Kao i obično, u ovom slučaju se udaljenost r mjeri između središta kuglica ili sfera. Ako postoji više od dva naboja, tada energiju njihove interakcije treba razmotriti na sljedeći način: podijeliti sustav naboja na sve moguće parove, izračunati energiju interakcije svakog para i zbrojiti sve energije za sve parove.
Rješavaju se zadaci iz ove teme, kao i zadaci iz zakona očuvanja mehanička energija: prvo se pronađe početna energija međudjelovanja, a zatim konačna. Ako se u zadatku traži pronaći rad na gibanju naboja, tada će on biti jednak razlici početne i konačne ukupne energije međudjelovanja naboja. Energija interakcije također se može pretvoriti u kinetičku energiju ili u druge vrste energije. Ako su tijela na vrlo velikoj udaljenosti, tada se pretpostavlja da je energija njihove interakcije 0.
Napomena: ako zadatak zahtijeva pronalaženje minimalne ili najveće udaljenosti između tijela (čestica) tijekom kretanja, tada će ovaj uvjet biti zadovoljen u trenutku kada se čestice kreću u istom smjeru istom brzinom. Stoga rješenje mora započeti s pisanjem zakona o održanju količine gibanja, iz kojeg se nalazi ta ista brzina. Zatim biste trebali napisati zakon održanja energije, uzimajući u obzir kinetičku energiju čestica u drugom slučaju.
Potencijal. Potencijalna razlika. napon
Elektrostatsko polje ima važno svojstvo: rad sila elektrostatskog polja pri premještanju naboja s jedne točke polja na drugu ne ovisi o obliku putanje, već je određen samo položajem početka i krajnje točke i veličina naboja.
Posljedica neovisnosti rada o obliku putanje je sljedeća tvrdnja: rad sila elektrostatskog polja pri gibanju naboja po bilo kojoj zatvorenoj putanji jednak je nuli.
Svojstvo potencijalnosti (neovisnost rada o obliku putanje) elektrostatskog polja omogućuje uvođenje pojma potencijalne energije naboja u električnom polju. Fizička veličina jednaka omjeru potencijalne energije električnog naboja u elektrostatičkom polju i vrijednosti tog naboja naziva se potencijal φ električno polje:
Potencijal φ je energetska karakteristika elektrostatičkog polja. U Međunarodnom sustavu jedinica (SI), jedinica potencijala (a time i razlike potencijala, tj. napona) je volt [V]. Potencijal je skalarna veličina.
U mnogim problemima elektrostatike, pri izračunavanju potencijala, zgodno je uzeti točku u beskonačnosti kao referentnu točku, gdje vrijednosti potencijalne energije i potencijala nestaju. U ovom slučaju, pojam potencijala može se definirati na sljedeći način: potencijal polja u danoj točki u prostoru jednak je radu koji električne sile izvrše kada se jedinični pozitivni naboj ukloni iz dane točke u beskonačnost.
Podsjetimo li se na formulu za potencijalnu energiju međudjelovanja dva točkasta naboja i podijelimo je s vrijednošću jednog od naboja u skladu s definicijom potencijala, dobivamo da potencijal φ polja točkastih naboja Q na daljinu r iz njega u odnosu na točku u beskonačnosti izračunava se na sljedeći način:
Potencijal izračunat ovom formulom može biti pozitivan ili negativan, ovisno o predznaku naboja koji ga je stvorio. Ista formula izražava potencijal polja jednoliko nabijene lopte (ili sfere) pri r ≥ R(izvan lopte ili sfere), gdje R je polumjer lopte, a udaljenost r mjereno od središta lopte.
Za vizualni prikaz električnog polja, zajedno s linijama sile, koristite ekvipotencijalne površine. Površina u svim točkama koje ima potencijal električnog polja iste vrijednosti, naziva se ekvipotencijalna ploha ili ploha jednakog potencijala. Silnice električnog polja uvijek su okomite na ekvipotencijalne površine. Ekvipotencijalne plohe Coulombovog polja točkastog naboja su koncentrične kugle.
Električni napon to je samo potencijalna razlika, tj. definicija električnog napona može se dati formulom:
U jednoličnom električnom polju postoji odnos između jakosti polja i napona:
Rad električnog polja može se izračunati kao razlika između početne i konačne potencijalne energije sustava naboja:
Rad električnog polja u općem slučaju također se može izračunati pomoću jedne od formula:
U jednoličnom polju, kada se naboj kreće duž svojih linija sile, rad polja također se može izračunati pomoću sljedeće formule:
U ovim formulama:
- φ je potencijal električnog polja.
- ∆φ - potencijalna razlika.
- W je potencijalna energija naboja u vanjskom električnom polju.
- A- rad električnog polja na kretanje naboja (naboja).
- q je naboj koji se giba u vanjskom električnom polju.
- U- napon.
- E je jakost električnog polja.
- d ili ∆ l je udaljenost preko koje se naboj pomiče duž linija sile.
U svim prethodnim formulama radilo se konkretno o radu elektrostatskog polja, ali ako problem kaže da se “rad mora obaviti”, ili se radi o “radu vanjskih sila”, onda taj rad treba promatrati u istom način kao rad polja, ali sa suprotnim predznakom.
Princip superpozicije potencijala
Iz principa superpozicije jakosti polja koje stvaraju električni naboji slijedi princip superpozicije za potencijale (u ovom slučaju predznak potencijala polja ovisi o predznaku naboja koji je stvorio polje):
Imajte na umu koliko je lakše primijeniti načelo superpozicije potencijala nego napetosti. Potencijal je skalarna veličina koja nema smjer. Zbrajanje potencijala jednostavno je zbrajanje numeričkih vrijednosti.
električni kapacitet. Ravni kondenzator
Kada se naboj priopći vodiču, uvijek postoji određena granica, iznad koje neće biti moguće nabiti tijelo. Da bi se opisala sposobnost tijela da akumulira električni naboj, uvodi se koncept električni kapacitet. Kapacitet usamljenog vodiča je omjer njegovog naboja i potencijala:
U SI sustavu, kapacitet se mjeri u faradima [F]. 1 Farad je izuzetno veliki kapacitet. Za usporedbu, kapacitet cijele zemaljske kugle mnogo je manji od jednog farada. Kapacitet vodiča ne ovisi o njegovom naboju niti o potencijalu tijela. Slično tome, gustoća ne ovisi ni o masi ni o volumenu tijela. Kapacitet ovisi samo o obliku tijela, njegovim dimenzijama i svojstvima okoline.
Električni kapacitet Sustav od dva vodiča naziva se fizikalna veličina, definirana kao omjer naboja q jedan od vodiča na razliku potencijala Δ φ između njih:
Vrijednost električnog kapaciteta vodiča ovisi o obliku i veličini vodiča te o svojstvima dielektrika koji razdvaja vodiče. Postoje takve konfiguracije vodiča u kojima je električno polje koncentrirano (lokalizirano) samo u određenom području prostora. Takvi sustavi nazivaju se kondenzatori, a vodiči koji čine kondenzator nazivaju se obloge.
Najjednostavniji kondenzator je sustav dviju ravnih vodljivih ploča postavljenih paralelno jedna s drugom na maloj udaljenosti u usporedbi s dimenzijama ploča i odvojenih dielektričnim slojem. Takav se kondenzator naziva ravan. Električno polje ravnog kondenzatora uglavnom je lokalizirano između ploča.
Svaka od nabijenih ploča ravnog kondenzatora stvara električno polje u blizini svoje površine, čiji je modul intenziteta izražen gore navedenim omjerom. Tada je modul konačne jakosti polja unutar kondenzatora koji stvaraju dvije ploče jednak:
Izvan kondenzatora, električna polja dviju ploča usmjerena su u različitim smjerovima, pa stoga rezultirajuće elektrostatsko polje E= 0. može se izračunati pomoću formule:
Dakle, kapacitet ravnog kondenzatora izravno je proporcionalan površini ploča (ploča) i obrnuto proporcionalan udaljenosti između njih. Ako je prostor između ploča ispunjen dielektrikom, kapacitet kondenzatora se povećava za ε jednom. imajte na umu da S u ovoj formuli postoji površina samo jedne ploče kondenzatora. Kada u problemu govore o "površini ploče", misle upravo na ovu vrijednost. Nikada ne biste trebali množiti ili dijeliti s 2.
Još jednom predstavljamo formulu za naboj kondenzatora. Pod nabojem kondenzatora podrazumijeva se samo naboj njegove pozitivne obloge:
Privlačna sila ploča kondenzatora. Sila koja djeluje na svaku ploču nije određena ukupnim poljem kondenzatora, već poljem koje stvara suprotna ploča (ploča ne djeluje sama na sebe). Jakost tog polja jednaka je polovici jakosti punog polja, a sila međudjelovanja ploča:
Energija kondenzatora. Naziva se i energija električnog polja unutar kondenzatora. Iskustvo pokazuje da nabijeni kondenzator sadrži zalihu energije. Energija nabijenog kondenzatora jednaka je radu vanjskih sila koje je potrebno utrošiti da se kondenzator napuni. Postoje tri ekvivalentna oblika zapisivanja formule za energiju kondenzatora (oni slijede jedan iz drugog ako koristite relaciju q = CU):
Obratite posebnu pozornost na izraz: "Kondenzator je spojen na izvor." To znači da se napon na kondenzatoru ne mijenja. A izraz "Kondenzator je napunjen i isključen iz izvora" znači da se naboj kondenzatora neće promijeniti.
Energija električnog polja
Električnu energiju treba smatrati potencijalnom energijom pohranjenom u nabijenom kondenzatoru. Prema suvremenim konceptima, električna energija kondenzatora je lokalizirana u prostoru između ploča kondenzatora, odnosno u električnom polju. Stoga se naziva energija električnog polja. Energija nabijenih tijela koncentrirana je u prostoru u kojem postoji električno polje, tj. možemo govoriti o energiji električnog polja. Na primjer, u kondenzatoru, energija je koncentrirana u prostoru između njegovih ploča. Stoga ima smisla uvesti novu fizikalnu karakteristiku - volumetrijsku gustoću energije električnog polja. Na primjeru ravnog kondenzatora može se dobiti sljedeća formula za volumetrijsku gustoću energije (ili energiju po jedinici volumena električnog polja):
Spojevi kondenzatora
Paralelni spoj kondenzatora- za povećanje kapaciteta. Kondenzatori su povezani slično nabijenim pločama, kao da povećavaju površinu jednako nabijenih ploča. Napon na svim kondenzatorima je isti, ukupni naboj jednak je zbroju naboja svakog od kondenzatora, a ukupni kapacitet također je jednak zbroju kapaciteta svih paralelno spojenih kondenzatora. Napišimo formule za paralelno spajanje kondenzatora:
Na serijski spoj kondenzatora ukupni kapacitet baterije kondenzatora je uvijek manji od kapaciteta najmanjeg kondenzatora uključenog u bateriju. Za povećanje probojnog napona kondenzatora koristi se serijski spoj. Napišimo formule za serijski spoj kondenzatora. Ukupni kapacitet serijski spojenih kondenzatora nalazi se iz omjera:
Iz zakona održanja naboja slijedi da su naboji na susjednim pločama jednaki:
Napon je jednak zbroju napona na pojedinačnim kondenzatorima.
Za dva kondenzatora u seriji, gornja formula će nam dati sljedeći izraz za ukupni kapacitet:
Za N identični serijski spojeni kondenzatori:
Vodljiva kugla
Jačina polja unutar nabijenog vodiča je nula. Inače bi na slobodne naboje unutar vodiča djelovala električna sila, koja bi prisilila te naboje da se kreću unutar vodiča. To kretanje bi pak dovelo do zagrijavanja nabijenog vodiča, što se zapravo ne događa.
Činjenica da unutar vodiča ne postoji električno polje može se shvatiti na drugi način: da postoji, tada bi se nabijene čestice opet kretale, i to tako da bi to polje svojim vlastitim poljem svele na nulu, jer. zapravo, ne bi se htjeli pomaknuti, jer svaki sustav teži ravnoteži. Prije ili kasnije, svi pokretni naboji bi se zaustavili upravo na tom mjestu, tako da bi polje unutar vodiča postalo jednako nuli.
Na površini vodiča jakost električnog polja je najveća. Veličina jakosti električnog polja nabijene kuglice izvan nje opada s udaljenošću od vodiča i izračunava se pomoću formule slične formulama za jakost polja točkastog naboja, u kojoj se udaljenosti mjere od središta kuglice. .
Budući da je jakost polja unutar nabijenog vodiča jednaka nuli, onda je potencijal u svim točkama unutar i na površini vodiča isti (samo je u ovom slučaju razlika potencijala, a time i napetost, jednaka nuli). Potencijal unutar nabijene kugle jednak je potencijalu na površini. Potencijal izvan kuglice izračunava se formulom sličnoj formuli za potencijal točkastog naboja, u kojoj se udaljenosti mjere od središta kuglice.
Radius R:
Ako je kugla okružena dielektrikom, tada:
Svojstva vodiča u električnom polju
- Unutar vodiča jakost polja uvijek je nula.
- Potencijal unutar vodiča je isti u svim točkama i jednak je potencijalu površine vodiča. Kada u zadatku kažu da je "vodič nabijen na potencijal ... V", onda misle upravo na površinski potencijal.
- Izvan vodiča blizu njegove površine jakost polja uvijek je okomita na površinu.
- Ako se vodiču prida naboj, tada će on biti potpuno raspoređen na vrlo tankom sloju blizu površine vodiča (obično se kaže da je cijeli naboj vodiča raspoređen na njegovoj površini). To je lako objasniti: činjenica je da davanjem naboja tijelu prenosimo na njega nositelje naboja istog predznaka, tj. poput naboja koji se međusobno odbijaju. To znači da će nastojati da se raziđu jedni od drugih na najveću moguću udaljenost, tj. nakupljaju se na samim rubovima vodiča. Kao posljedica toga, ako se vodič ukloni iz jezgre, tada se njegova elektrostatička svojstva neće ni na koji način promijeniti.
- Izvan vodiča, jakost polja je veća što je površina vodiča više zakrivljena. Najveća vrijednost napetosti postiže se u blizini vrhova i oštrih lomova površine vodiča.
Napomene o rješavanju složenih problema
1. Uzemljenje nešto znači veza s vodičem ovaj objekt sa zemljom. Pritom se potencijali Zemlje i postojećeg objekta izjednačavaju, a za to potrebni naboji teku preko vodiča od Zemlje do objekta ili obrnuto. U ovom slučaju potrebno je uzeti u obzir nekoliko čimbenika koji proizlaze iz činjenice da je Zemlja nesamjerljivo veća od bilo kojeg objekta koji se na njoj nalazi:
- Ukupni naboj Zemlje je uvjetno jednak nuli, pa je i njen potencijal jednak nuli, a ostat će jednak nuli nakon što se objekt spoji sa Zemljom. Jednom riječju, uzemljiti znači poništiti potencijal objekta.
- Da bi se poništio potencijal (a time i vlastiti naboj objekta, koji je prije mogao biti i pozitivan i negativan), objekt će morati ili prihvatiti ili dati Zemlji neki (možda čak i vrlo velik) naboj, a Zemlja će uvijek biti sposobni pružiti takvu priliku.
2. Ponovimo još jednom: udaljenost između tijela koja se odbijaju je minimalna u trenutku kada njihove brzine postanu jednake po veličini i usmjerene u istom smjeru (relativna brzina naboja je nula). U ovom trenutku potencijalna energija međudjelovanja naboja je maksimalna. Udaljenost između tijela koja se privlače najveća je iu trenutku jednakosti brzina usmjerenih u jednom smjeru.
3. Ako je problem sustav koji se sastoji od velikog broja naboja, tada je potrebno razmotriti i opisati sile koje djeluju na naboj koji nije u središtu simetrije.
- Naučite sve formule i zakone u fizici, te formule i metode u matematici. Zapravo, to je također vrlo jednostavno učiniti, postoji samo oko 200 potrebnih formula u fizici, a još nešto manje u matematici. U svakom od ovih predmeta postoji desetak standardnih metoda za rješavanje problema osnovne razine složenosti, koje se također mogu naučiti, te tako potpuno automatski i bez poteškoća riješiti u pravo vrijeme najviše CT. Nakon toga ćete morati razmišljati samo o najtežim zadacima.
- Prisustvujte svim trima fazama probnog testiranja iz fizike i matematike. Svaki RT može se posjetiti dva puta kako bi se riješile obje opcije. Opet, na CT-u, osim sposobnosti brzog i učinkovitog rješavanja zadataka, te poznavanja formula i metoda, potrebno je i znati pravilno planirati vrijeme, rasporediti snage i što je najvažnije ispravno ispuniti obrazac za odgovore , bez brkanja ni brojeva odgovora i zadataka, ni vlastitog imena. Također, tijekom RT-a važno je naviknuti se na stil postavljanja pitanja u zadacima, koji se nespremnoj osobi na DT-u može učiniti vrlo neobičnim.
- elektrostatičko pražnjenje
- Landau, L. D., Lifshitz, E. M. Teorija polja. - Izdanje 7., ispravljeno. - M .: Nauka, 1988. - 512 str. - ("Teorijska fizika", svezak II). - ISBN 5-02-014420-7
- Matveev A. N. elektricitet i magnetizam. M.: postdiplomske studije, 1983.
- Tunel M.-A. Osnove elektromagnetizma i teorije relativnosti. Po. od fr. M.: Strana književnost, 1962. 488 str.
- Borgman, "Osnove doktrine električnih i magnetskih pojava" (sv. I);
- Maxwell, "Traktat o elektricitetu i magnetizmu" (sv. I);
- Poincaré, "Electricité et Optique"";
- Wiedemann, "Die Lehre von der Elektricität" (sv. I);
- Konstantin Bogdanov.Što može elektrostatika // Kvantni. - M .: Bureau Quantum, 2010. - br. 2.
- Tlak P=F/S
- Gustoća ρ=m/V
- Tlak na dubini tekućine P=ρ∙g∙h
- Gravitacija Ft=mg
- 5. Arhimedova sila Fa=ρ w ∙g∙Vt
- Jednadžba gibanja za jednoliko ubrzano gibanje
- Jednadžba brzine za jednoliko ubrzano gibanje υ =υ 0 +a∙t
- Ubrzanje a=( υ -υ 0)/t
- Kružna brzina υ =2πR/T
- Centripetalno ubrzanje a= υ 2/R
- Odnos između perioda i frekvencije ν=1/T=ω/2π
- Newtonov II zakon F=ma
- Hookeov zakon Fy=-kx
- Zakon univerzalne gravitacije F=G∙M∙m/R 2
- Težina tijela koje se kreće ubrzanjem a P \u003d m (g + a)
- Težina tijela koje se kreće ubrzanjem a ↓ P \u003d m (g-a)
- Sila trenja Ffr=µN
- Impuls tijela p=m υ
- Impuls sile Ft=∆p
- Moment M=F∙ℓ
- Potencijalna energija tijela podignutog iznad tla Ep=mgh
- Potencijalna energija elastično deformiranog tijela Ep=kx 2 /2
- Kinetička energija tijela Ek=m υ 2 /2
- Rad A=F∙S∙cosα
- Snaga N=A/t=F∙ υ
- Učinkovitost η=Ap/Az
- Period titranja matematičkog njihala T=2π√ℓ/g
- Period titranja opružnog njihala T=2 π √m/k
- Jednadžba harmonijskih oscilacija H=Hmax∙cos ωt
- Odnos valne duljine, njezine brzine i perioda λ= υ T
- Količina tvari ν=N/ Na
- Molarna masa M=m/ν
- Oženiti se. rodbina energija jednoatomnih molekula plina Ek=3/2∙kT
- Osnovna jednadžba MKT P=nkT=1/3nm 0 υ 2
- Gay-Lussacov zakon (izobarni proces) V/T =konst
- Charlesov zakon (izohorni proces) P/T =konst
- Relativna vlažnost φ=P/P 0 ∙100%
- Int. idealna energija. jednoatomski plin U=3/2∙M/µ∙RT
- Plinski rad A=P∙ΔV
- Boyleov zakon - Mariotte (izotermni proces) PV=konst
- Količina topline tijekom zagrijavanja Q \u003d Cm (T 2 -T 1)
- Količina topline pri taljenju Q=λm
- Količina topline pri isparavanju Q=Lm
- Količina topline pri izgaranju goriva Q=qm
- Jednadžba stanja idealnog plina je PV=m/M∙RT
- Prvi zakon termodinamike ΔU=A+Q
- Učinkovitost toplinskih strojeva η= (Q 1 - Q 2) / Q 1
- Idealna učinkovitost. motori (Carnotov ciklus) η \u003d (T 1 - T 2) / T 1
- Coulombov zakon F=k∙q 1 ∙q 2 /R 2
- Jačina električnog polja E=F/q
- Napetost putem e-pošte. polje točkastog naboja E=k∙q/R 2
- Površinska gustoća naboja σ = q/S
- Napetost putem e-pošte. polja beskonačne ravnine E=2πkσ
- Dielektrična konstanta ε=E 0 /E
- Potencijalna energija interakcije. naboji W= k∙q 1 q 2 /R
- Potencijal φ=W/q
- Potencijal točkastog naboja φ=k∙q/R
- Napon U=A/q
- Za jednoliko električno polje U=E∙d
- Električni kapacitet C=q/U
- Kapacitet ravnog kondenzatora C=S∙ ε ∙ε 0/d
- Energija nabijenog kondenzatora W=qU/2=q²/2S=CU²/2
- Struja I=q/t
- Otpor vodiča R=ρ∙ℓ/S
- Ohmov zakon za dionicu strujnog kruga I=U/R
- Zakoni posljednjeg spojevi I 1 \u003d I 2 \u003d I, U 1 + U 2 \u003d U, R 1 + R 2 \u003d R
- Paralelni zakoni. veza U 1 \u003d U 2 \u003d U, I 1 + I 2 \u003d I, 1 / R 1 + 1 / R 2 \u003d 1 / R
- Snaga električne struje P=I∙U
- Joule-Lenzov zakon Q=I 2 Rt
- Ohmov zakon za potpuni lanac I=ε/(R+r)
- Struja kratkog spoja (R=0) I=ε/r
- Vektor magnetske indukcije B=Fmax/ℓ∙I
- Amperova sila Fa=IBℓsin α
- Lorentzova sila Fl=Bqυsin α
- Magnetski tok F=BSsos α F=LI
- Zakon elektromagnetske indukcije Ei=ΔF/Δt
- EMF indukcije u pokretnom vodiču Ei=Vℓ υ grijehα
- EMF samoindukcije Esi=-L∙ΔI/Δt
- energija magnetsko polje zavojnice Wm=LI 2 /2
- Broj perioda oscilacije. kontura T=2π ∙√LC
- Induktivna reaktancija X L =ωL=2πLν
- Kapacitet Xc=1/ωC
- Trenutna vrijednost trenutnog Id \u003d Imax / √2,
- RMS napon Ud=Umax/√2
- Impedancija Z=√(Xc-X L) 2 +R 2
- Zakon loma svjetlosti n 21 \u003d n 2 / n 1 \u003d υ 1 / υ 2
- Indeks loma n 21 =sin α/sin γ
- Formula tanke leće 1/F=1/d + 1/f
- Optička jakost leće D=1/F
- max interferencija: Δd=kλ,
- min smetnje: Δd=(2k+1)λ/2
- Diferencijalna rešetka d∙sin φ=k λ
- Einsteinova formula za fotoelektrični efekt hν=Aout+Ek, Ek=U ze
- Crvena granica fotoelektričnog efekta ν do = Aout/h
- Moment fotona P=mc=h/ λ=E/s
- ne sijeku se;
- nije zatvoreno;
- stabilan;
- krajnji smjer je isti kao i smjer vektora;
- započeti na $+ q$ ili u beskonačnosti, završiti na $– q$;
- nastaju u blizini naboja (gdje postoji veća napetost);
- okomito na površinu glavnog vodiča.
Uspješno, marljivo i odgovorno ispunjavanje ove tri točke, kao i odgovorno proučavanje završnih testova obuke, omogućit će vam da na CT-u pokažete odličan rezultat, maksimum onoga za što ste sposobni.
Pronašli ste grešku?
Ako mislite da ste pronašli grešku u materijali za obuku, onda molim vas pišite o tome na elektronička pošta(). U pismu navedite predmet (fizika ili matematika), naziv ili broj teme ili testa, broj zadatka ili mjesto u tekstu (stranici) na kojem je po vašem mišljenju greška. Također opišite što je navodna pogreška. Vaše pismo neće proći nezapaženo, pogreška će biti ispravljena ili će vam biti objašnjeno zašto nije pogreška.
električna provodljivost
Električni otpor
Električna impedancija
Elektrostatika- grana doktrine elektriciteta, koja proučava međudjelovanje nepomičnih električnih naboja.
Između istog imena nabijenih tijela postoji elektrostatsko (ili kulonsko) odbijanje, a između različito nabijen – elektrostatsko privlačenje. Fenomen odbijanja sličnih naboja leži u osnovi stvaranja elektroskopa - uređaja za otkrivanje električnih naboja.
Elektrostatika se temelji na Coulombovom zakonu. Ovaj zakon opisuje međudjelovanje točkastih električnih naboja.
Priča
Temelje elektrostatike postavili su radovi Coulomba (iako je desetak godina prije njega Cavendish dobio iste rezultate, čak i s još većom točnošću. Rezultati Cavendisheva rada čuvani su u obiteljskom arhivu, a objavljeni su tek stotinjak godina kasnije) ; zakon električnih međudjelovanja koji je pronašao potonji omogućio je Greenu, Gaussu i Poissonu stvaranje matematički elegantne teorije. Najznačajniji dio elektrostatike je teorija potencijala koju su stvorili Green i Gauss. Velik dio eksperimentalnih istraživanja elektrostatike proveo je Rees, čije su knjige u prijašnjim vremenima bile glavna pomoć u proučavanju ovih pojava.
Dielektrična konstanta
Pronalaženje vrijednosti dielektričnog koeficijenta K bilo koje tvari, koeficijenta uključenog u gotovo sve formule kojima se treba baviti u elektrostatici, može se učiniti na vrlo različite načine. Najčešće korištene metode su sljedeće.
1) Usporedba električnih kapaciteta dvaju kondenzatora iste veličine i oblika, ali od kojih jedan ima izolacijski sloj zraka, a drugi ima sloj dielektrika koji se ispituje.
2) Usporedba privlačnosti između površina kondenzatora, kada se određena razlika potencijala prijavljuje tim površinama, ali u jednom slučaju postoji zrak između njih (sila privlačnosti \u003d F 0), u drugom slučaju - ispitni tekući izolator (sila privlačenja \u003d F). Dielektrični koeficijent nalazi se po formuli:
3) Promatranja električnih valova (vidi Električne oscilacije) koji se šire duž žica. Prema Maxwellovoj teoriji, brzina širenja električnih valova duž žica izražava se formulom
u kojem K označava dielektrični koeficijent medija koji okružuje žicu, μ označava magnetsku permeabilnost tog medija. Moguće je postaviti μ = 1 za veliku većinu tijela i stoga ispada
Obično se uspoređuju duljine stojnih električnih valova koji nastaju u dijelovima iste žice u zraku i u ispitivanom dielektriku (tekućini). Određivanjem ovih duljina λ 0 i λ dobivamo K = λ 0 2 / λ 2. Prema Maxwellovoj teoriji, slijedi da kada se u bilo kojoj izolacijskoj tvari pobudi električno polje, unutar te tvari dolazi do posebnih deformacija. Duž indukcijskih cijevi izolacijski medij je polariziran. U njoj nastaju električni pomaci, koji se mogu usporediti s gibanjima pozitivnog elektriciteta u smjeru osi ovih cijevi, a kroz svaki presjek cijevi prolazi količina elektriciteta jednaka
Maxwellova teorija omogućuje pronalaženje izraza za one unutarnje sile (sile napetosti i tlaka) koje se pojavljuju u dielektricima kada se u njima pobudi električno polje. Tim se pitanjem prvi bavio sam Maxwell, a kasnije i temeljitije Helmholtz. Daljnji razvoj teorije o ovom pitanju i teorije elektrostrikcije (odnosno teorije koja razmatra pojave koje ovise o pojavi posebnih napona u dielektricima kada se u njima pobudi električno polje) pripada radovima Lorberga, Kirchhoffa, P. Duhem, N. N. Schiller i neki drugi.
Granični uvjeti
Zaključimo ovaj sažetak najvažnijeg odjela elektrostrikcije razmatranjem pitanja loma indukcijskih cijevi. Zamislimo dva dielektrika u električnom polju, međusobno odvojena nekom površinom S, s koeficijentima dielektričnosti K 1 i K 2 .
Neka su u točkama P 1 i P 2 koje se nalaze beskonačno blizu površine S s obje strane, veličine potencijala izražene kroz V 1 i V 2, a veličine sila kojima djeluje jedinica pozitivnog elektriciteta postavljena na te točke kroz F 1 i F 2. Tada bi za točku P koja leži na samoj površini S trebalo biti V 1 = V 2,
ako ds predstavlja infinitezimalni pomak duž crte presjeka ravnine tangente na površinu S u točki P s ravninom koja prolazi kroz normalu na površinu u toj točki i kroz pravac električne sile na njoj. S druge strane, trebalo bi biti
Označimo s ε 2 kut koji čini sila F2 s normalom n2 (unutar drugog dielektrika), a kroz ε 1 kut koji čini sila F 1 s istom normalom n 2 Zatim, koristeći formule (31) i (30 ), pronašli smo
Dakle, na površini koja razdvaja dva dielektrika jedan od drugog, električna sila mijenja svoj smjer, poput svjetlosne zrake koja ulazi iz jednog medija u drugi. Ova posljedica teorije opravdana je iskustvom.
vidi također
Književnost
Linkovi
Šafranka s formulama iz fizike za ispit
i ne samo (možda će trebati 7, 8, 9, 10 i 11 klasa).
Za početak, slika koja se može isprintati u kompaktnom obliku.
Mehanika
X=X0 + υ 0∙t+(a∙t 2)/2 S=( υ 2 -υ 0 2) /2a S=( υ +υ 0) ∙t /2
Molekularna fizika i termodinamika
Elektrostatika i elektrodinamika - formule u fizici
Optika
Kvantna fizika
Fizika atomske jezgre
Definicija 1
Elektrostatika je opsežna grana elektrodinamike koja proučava i opisuje električki nabijena tijela koja miruju u određenom sustavu.
U praksi postoje dvije vrste elektrostatskog naboja: pozitivni (staklo na svili) i negativni (ebonit na vuni). Elementarni naboj je minimalni naboj ($e = 1,6 ∙10^( -19)$ C). Naboj svakog fizičkog tijela višekratnik je cijelog broja elementarnih naboja: $q = Ne$.
Elektrifikacija materijalnih tijela je preraspodjela naboja između tijela. Metode elektrifikacije: dodir, trenje i utjecaj.
Zakon o održanju električnog pozitivnog naboja - u zatvorenom konceptu algebarski zbroj naboja svih elementarnih čestica ostaje stabilan i nepromijenjen. $q_1 + q _2 + q _3 + …..+ q_n = const$. Ispitni naboj u ovom slučaju je točkasti pozitivni naboj.
Coulombov zakon
Ovaj je zakon eksperimentalno ustanovljen 1785. godine. Prema ovoj teoriji, sila međudjelovanja dvaju točkastih naboja koji miruju u mediju uvijek je izravno proporcionalna umnošku pozitivnih modula i obrnuto proporcionalna kvadratu ukupne udaljenosti između njih.
Električno polje je jedinstvena vrsta materije koja stupa u interakciju između stabilnih električnih naboja, formira se oko naboja, utječe samo na naboje.
Takav proces elemenata fiksne točke u potpunosti je podložan trećem Newtonovom zakonu, a smatra se rezultatom međusobnog odbijanja čestica istom silom privlačenja. Odnos stabilnih električnih naboja u elektrostatici naziva se Coulombova interakcija.
Coulombov zakon je sasvim pošten i točan za nabijena materijalna tijela, jednoliko nabijene lopte i sfere. U ovom slučaju udaljenosti se uglavnom uzimaju kao parametri središta prostora. U praksi se ovaj zakon dobro i brzo ispunjava ako su veličine nabijenih tijela mnogo manje od udaljenosti između njih.
Napomena 1
Vodiči i dielektrici također djeluju u električnom polju.
Prvi predstavljaju tvari koje sadrže slobodne nositelje elektromagnetskog naboja. Unutar vodiča može doći do slobodnog kretanja elektrona. Ti elementi uključuju otopine, metale i razne taline elektrolita, idealne plinove i plazmu.
Dielektrici su tvari u kojima ne može biti slobodnih nositelja električnog naboja. Slobodno kretanje elektrona unutar samih dielektrika je nemoguće jer kroz njih ne teče električna struja. Upravo te fizičke čestice imaju propusnost koja nije jednaka jedinici dielektrika.
Pravci polja i elektrostatika
Linije sile početne jakosti električnog polja su kontinuirane linije, čije se tangente u svakom sredstvu kroz koje prolaze potpuno podudaraju s osi napetosti.
Glavne karakteristike linija sile:
Definicija 2
Razlika električnih potencijala ili napona (F ili $U$) je veličina potencijala na početnoj i krajnjoj točki putanje pozitivnog naboja. Što se potencijal manje mijenja duž putanje, to je kao rezultat niža jakost polja.
Jakost električnog polja uvijek je usmjerena u smjeru smanjenja početnog potencijala.
Slika 2. Potencijalna energija sustava električnih naboja. Author24 - online razmjena studentskih radova
Električni kapacitet karakterizira sposobnost bilo kojeg vodiča da akumulira potrebni električni naboj na vlastitoj površini.
Ovaj parametar ne ovisi o električnom naboju, ali na njega mogu utjecati geometrijske dimenzije vodiča, njihov oblik, položaj i svojstva medija između elemenata.
Kondenzator je univerzalni električni uređaj koji pomaže brzo akumulirati električni naboj za prijenos u krug.
Električno polje i njegov intenzitet
Prema modernim idejama znanstvenika, električni stabilni naboji ne utječu izravno jedni na druge. Svaki naplaćen fizičko tijelo u elektrostatici stvara električno polje u okolini. Ovaj proces snažno djeluje na druge nabijene tvari. Glavno svojstvo električnog polja je da djeluje određenom silom na točkaste naboje. Dakle, međudjelovanje pozitivno nabijenih čestica odvija se kroz polja koja okružuju nabijene elemente.
Ovaj se fenomen može istražiti pomoću takozvanog testnog naboja - malog električnog naboja koji ne unosi značajnu preraspodjelu proučavanih naboja. Za kvantitativnu detekciju polja uvodi se obilježje sile - jakost električnog polja.
Intenzitet se naziva fizički pokazatelj, koji je jednak omjeru sile kojom polje djeluje na probni naboj postavljen na danoj točki u polju i veličine samog naboja.
Jakost električnog polja je vektorska fizikalna veličina. Smjer vektora u ovom slučaju podudara se u svakoj materijalnoj točki okolnog prostora sa smjerom sile koja djeluje na pozitivni naboj. Električno polje elemenata koji se ne mijenjaju s vremenom i koji miruju smatra se elektrostatičkim.
Za razumijevanje električnog polja koriste se silnice koje se crtaju tako da se smjer glavne osi napetosti u svakom sustavu podudara sa smjerom tangente na točku.
Razlika potencijala u elektrostatici
Elektrostatsko polje uključuje jedno važno svojstvo: rad sila svih pokretnih čestica pri pomicanju točkastog naboja s jedne točke polja na drugu ne ovisi o smjeru putanje, već je određen isključivo položajem početne i završne linije i parametar naboja.
Rezultat neovisnosti rada o obliku gibanja naboja je sljedeća tvrdnja: funkcional sila elektrostatskog polja tijekom transformacije naboja duž bilo koje zatvorene putanje uvijek je jednak nuli.
Slika 4. Potencijal elektrostatičkog polja. Author24 - online razmjena studentskih radova
Svojstvo potencijalnosti elektrostatskog polja pomaže u uvođenju koncepta potencijalne i unutarnje energije naboja. A fizički parametar jednak omjeru potencijalne energije u polju i veličini ovog naboja naziva se konstantni potencijal električnog polja.
U mnogim složenim problemima elektrostatike, pri određivanju potencijala izvan referentne materijalne točke, gdje veličina potencijalne energije i sam potencijal nestaju, pogodno je koristiti beskonačno udaljenu točku. U ovom slučaju, značaj potencijala definiran je na sljedeći način: potencijal električnog polja u bilo kojoj točki prostora jednak je radu koji unutarnje sile izvrše kada se pozitivan jedinični naboj ukloni iz danog sustava do beskonačnosti.