Который выводит электрический заряд со. Как влияет диэлектрик на емкость конденсаторов? Электрическое поле. Принцип суперпозиции

Все тела в природе способны электризоваться, т. е. приобретать электрический заряд. Наличие электрического заряда проявляется в том, что заряженное тело взаимодействует с другими заряженными телами. Имеются два вида электрических зарядов, условно называемых положительными и отрицательными. Заряды одного знака отталкиваются, разных знаков - притягиваются друг другом.

Электрический заряд является неотъемлемым свойством некоторых элементарных частиц. Заряд всех элементарных частиц (если он не равен нулю) одинаков по абсолютной величине. Его можно назвать элементарным заряд ом. Положительный элементарный заряд мы будем обозначать буквой е.

К числу элементарных частиц принадлежат, в частности, электрон (несущий отрицательный заряд - , протон (несущий положительный заряд и нейтрон (заряд которого равен нулю). Из этих частиц построены атомы и молекулы любого вещества, поэтому электрические заряды входят в состав всех тел. Обычно частицы, несущие заряды разных знаков, присутствуют в равных количествах и распределены в теле с одинаковой плотностью. В этом случае алгебраическая сумма зарядов в любом элементарном объеме тела равна нулю, и каждый такой объем (и тело в целом) будет нейтральным. Если каким-либо образом создать в теле избыток частиц одного знака (соответственно недостаток частиц другого знака), тело окажется заряженным. Можно также, не изменяя общего количества положительных и отрицательных частиц, вызвать их перераспределение в теле таким образом, что в одной части тела возникнет избыток зарядов одного знака, в другой - другого. Это можно осуществить, приблизив к незаряженному металлическому телу другое, заряженное тело.

Поскольку всякий заряд q образуется совокупностью элементарных зарядов, он является целым кратным :

Однако элементарный заряд настолько мал, что возможную величину макроскопических зарядов можно считать изменяющейся непрерывно.

Если физическая величина может принимать только определенные дискретные значения, говорят, что эта величина квантуется. Факт, выражаемый формулой (1.1), означает, что электрический заряд квантуется.

Величина заряда, измеряемая в различных инерциальных системах отсчета, оказывается одинаковой. Следовательно, электрический заряд является релятивистски инвариантным. Отсюда вытекает, что величина заряда не зависит от того, движется этот заряд или покоится.

Электрические заряды могут исчезать и возникать вновь. Однако всегда возникают или исчезают два элементарных заряда противоположных знаков. Например, электрон и позитрон (положительный электрон) при встрече аннигилируют, т. е. превращаются в нейтральные гамма-фотоны. При этом исчезают заряды - . В ходе процесса, называемого рождением пары, гамма-фотон, попадая в поле атомного ядра, превращается в пару частиц - электрон и позитрон. При этом возникают заряды -

Таким образом, суммарный заряд электрически изолированной системы не может изменяться. Это утверждение носит название закона сохранения электрического заряда.

Отметим, что закон сохранения электрического заряда тесно связан с релятивистской инвариантностью заряда. Действительно, если бы величина заряда зависела от его скорости, то, приведя в движение заряды одного какого-то знака, мы изменили бы суммарный заряд изолированной системы.

Электрическое поле. Принцип суперпозиции.

Ещё в глубокой древности было известно, что янтарь, потёртый о шерсть, приобретает способность притягивать лёгкие предметы. Позже было установлено, что таким же свойством обладают многие другие вещества. На поверхности тел в таком состоянии имеются электрические заряды, а сами тела называются заряженными. Раньше такие предметы называли наэлектризованными.

В природе существуют только два вида зарядов – положительные и отрицательные. Заряды одного знака (одноимённые заряды) отталкиваются, заряды разных знаков (разноимённые заряды) притягиваются. Наименьшим (элементарным) зарядом обладают элементарные частицы. Например, протон заряжен положительно, электрон – отрицательно. Элементарный отрицательный заряд равен по величине элементарному положительному заряду. В системе СИ заряд измеряется в кулонах (Кл). Величина элементарного заряда

e

В природе нигде и никогда не возникает и не исчезает электрический заряд одного знака. Появление положительного электрического заряда +q всегда сопровождается появлением равного по абсолютной величине отрицательного электрического заряда

-q . Ни положительный, ни отрицательный заряды не могут исчезнуть по отдельности один от другого, они могут лишь взаимно нейтрализовать друг друга, если равны по абсолютной величине. Этот экспериментально установленный факт называется законом сохранения электрического заряда, который формулируется следующим образом: в электрически изолированной системе алгебраическая сумма зарядов остаётся постоянной:

const. (1.1)

Изолированной называется система, не обменивающаяся зарядами с внешней средой.

В 1785 г. Шарль Кулон (1736-1806) экспериментально установил закон взаимодействия двух точечных зарядов, т.е. таких заряженных тел, размерами которых в данной задаче можно пренебречь. Этот закон гласит: сила взаимодействия двух точечных зарядов прямо пропорциональна произведению этих зарядов, обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними и направлена по линии, соединяющей эти заряды. Для вакуума этот закон имеет вид

, (1.2)

где Кл²/Н·м² (Ф/м) – электрическая постоянная. В диэлектрике сила взаимодействия двух точечных зарядов

, (1.3)

Где - диэлектрическая проницаемость диэлектрика. Она показывает во сколько раз сила кулоновского взаимодействия в диэлектрике меньше, чем в вакууме. Взаимодействие между зарядами на расстоянии осуществляется через электрическое поле.

Электрическое поле – это одна из форм материи. Оно обладает свойством действовать на внесённые в него заряды с некоторой силой. Электрическое поле является составной частью электромагнитного поля. Поле, окружающее неподвижные заряды, называется электростатическим .

Представление об электрическом поле было введено в науку в 30-х годах ХIХ века Майклом Фарадеем (1791-1867). Согласно Фарадею, каждый электрический заряд окружён созданным им электрическим полем. Будем помещать в точку М поля заряда q различные пробные заряды (рис. 1.2).

На каждый из них электрическое поле действует с различными силами.

Но если величину каждой силы разделить на соответствующее ей значение пробного заряда, то получим одно и то же значение, характерное для точки М этого поля. То есть эта величина может служить силовой характеристикой электрического поля в точке М. Она называется напряжённостью электрического поля :

E = F /q пр. (1.4)

Напряжённость электрического поля – векторная величина. Напряжённость не зависит от наличия или отсутствия в данном поле пробных зарядов. Она зависит от свойств самого поля, которое определяется зарядом – источником, расстоянием от него до точки поля, в которой измеряется напряжённость, и средой, в которой создано поле. В системе СИ напряжённость электрического поля измеряется в вольтах на метр (В/м).

Пусть имеется положительный точечный заряд – источник поля Q. Поместим в некоторую точку поля M этого заряда положительный пробный заряд q пр. На этот заряд будет действовать сила

. (1.5)

Тогда напряжённость поля, создаваемого точечным зарядом Q в точке M,

. (1.6)

Если заряд Q окружает среда с диэлектрической проницаемостью ε , то напряжённость создаваемого им поля

. (1.7)

Графически электрическое поле изображают силовыми линиями . Силовые линии начинаются на положительных зарядах и заканчиваются на отрицательных или уходят в бесконечность. На рис.1.3 изображены линии напряжённости полей положительного (а), отрицательного (б) и системы из положительного и отрицательного зарядов (в).

О величине напряжённости судят по густоте линий. Чем гуще расположены линии, тем больше величина напряжённости.

Электрическое поле, напряжённость которого в каждой точке одинакова по величине и направлению, называется однородным . Силовыми линиями однородного поля являются параллельные прямые, расположенные на одинаковом расстоянии друг от друга. Электрическое поле точечного заряда неоднородно.

Если на электрический заряд q одновременно действуют электрические поля нескольких зарядов, то результирующая сила равна геометрической сумме сил, действующих со стороны каждого поля в отдельности. Это называется принципом суперпозиции : если в данной точке пространства различные заряды создают электрические поля с напряжённостями Е 1 , Е 2 и т.д., то вектор напряжённости электрического поля в этой точке равен сумме векторов напряжённости всех электрических полей (рис. 1.4):

Е = Е 1 + Е 2 + ….+Е n . (1.8)

Какое явление определяется с помощью закона Кулона?

Ответ: силу взаимодействия между неподвижными электрическими зарядами.

Каковы формы проявления электромагнитного поля?

Ответ: действие на магнитную стрелку (её отклонение)

При каких условиях электрическое поле называют электростатическим?

Ответ: при условии, что поле создается неподвижными зарядами.

Что произойдет с силой взаимодействия между двумя зарядами если их из воздуха перенести в воду?

Ответ: уменьшиться в E раз.

1.1.6. Величина одного заряда 2 . 10 -5 Кл, другого -4 . 10 -4 Кл. Определить силу взаимодействия между ними, если они помещены в керосин (ε = 2) и находится на расстоянии 10 см друг от друга.

Дано:	Решение:
q 1 = 2×10 -5 Кл q 2 = -4×10 -4 Кл r=10см=0.1м ɛ=2 ф/м	F 1 = F 1 = × =0,04×(-8×10 -7)=-3,2×10 -7 H
Найти:
F - ?
Ответ:	-3,2×10 -7 H

1.1.7. Определите силу взаимодействия между электрическими зарядами q 1 = 5 . 10 -4 Кл и q 2 = 2 . 10 -5 Кл, находящимися в дистиллированной воде (ε =81) на расстоянии 5 см друг от друга.

Выберите правильный ответ:

1.1.8. Два заряда, находящихся на расстоянии 10 см друг от друга, помещены в керосин (ε = 2). Как изменится сила взаимодействия этих зарядов в вакууме? Если взаимное расположение этих зарядов сохраняется.

a) увеличится в два раза;

b) не изменится;

c) уменьшится в два раза.

1.1.9. Расстояние между электрическими зарядами возросло в три раза. Как должны изменится величины зарядов q 1 и q 2 , чтобы сила взаимодействия между ними возросла в девять раз?

a) увеличиться в три раза;

b) уменьшиться в три раза;

c) увеличиться в девять раз.

Электрическое поле каких зарядов изображено на рисунке?

Ответ: одноименные заряды.

Потенциал и напряженность электрического поля

1.2.1. Сформулируйте определения:

Потенциал электрического поля –это отношение потенциальной энергии зарядов поля к этому заряду.

Напряжение - это физическая величина, характеризующая работу электрическое поле по перемещению электрического заряда (разность потенциалов).

Напряженность электрического поля -это физическая величина определяемая силой с которой поле действует на единичный точечный заряд помещенный в эту точку.

В каких единицах измеряется электрический потенциал?

Ответ: Вольт (В)

1.2.3. Как определить работу по переносу заряда из одной точки электрического поля в другую? Ответ: A=q(φ 1 -φ 2)

1.2.4. Определите потенциал точки электрического поля, в которую из бесконечности внесен заряд q = 3 . 10 -6 Кл, если при этом силами поля совершена работа А = 6 . 10 -6 Дж.

1.2.5. Потенциал электрического поля в точке А составляет 60 В, а в точке Б – 7 В. Заряд q = 6 Кл перенесен из точки А в точку Б . Какая при этом совершена работа.

1.2.6. Вычислите напряженность двух различных электрических полей, действующих на заряд q = 0,004 Кл с силами F 1 = 0,018 Н и F 2 = 0,012 Н.

Определите напряженность электрического поля плоского конденсатора, если расстояние между пластинами 2 мм, а напряжение 220 В.

Электрическая емкость

От чего зависит емкость конденсатора?

Ответ: от геометрических размеров и диэлектрика

Как влияет диэлектрик на емкость конденсаторов?

Ответ: С увеличением диэлектрической проницаемости диэлектрика емкость увеличивается.

В каком случае необходимо применять последовательное соединение конденсаторов?

Ответ: если нужно уменьшить емкость конденсатор