Электростатика

1. Что такое электрически заряженное тело?

Электрически заряженными называются тела, взаимодействующие по закону Кулона.

2. Каковы фундаментальные свойства электрического заряда?

а) Релятивистская инвариантность – электрический заряд не зависит от скорости заряженного тела.

б) Поскольку силы взаимодействия электрически заряженных тел бывают двух видов – притяжения и отталкивания, то этот экспериментальный факт интерпретируют как существование двух видов электрических зарядов – исторически эти два вида принято называть положительными и отрицательными.

в) Сохраняемость –во всех физических процессах алгебраическая сумма (т.е. сумма с учетом знака зарядов) электрических зарядов сохраняется.

г) Дискретность – носителями физического свойства, называемого электрическим зарядом, являются элементарные частицы – электроны, протоны и др. Носителем минимального отрицательного заряда является электрон. Носителем минимального положительного заряда является протон. Таким образом, электрический заряд тела может изменяться только порциями, кратными зарядам электрона и протона.

3. Как формулируется закон Кулона?

Силы взаимодействия двух электрически заряженных физических тел прямо пропорциональны произведению их зарядов и обратно пропорциональны квадрату расстояния между ними.

Необходимо сделать ряд замечаний:

а) при такой формулировке предполагается, что тела являются материальными точками;

б) в полном соответствии с третьим законом Ньютона кулоновские силы, приложенные к каждому из взаимодействующих тел, равны по модулю, противоположны по направлению и направлены вдоль прямой, соединяющей эти тела;

в) силы взаимодействия разноименно заряженных тел являются силами притяжения, силы взаимодействия одноименно заряженных тел являются силами отталкивания;

г) коэффициент пропорциональности зависит от выбора системы единиц – если единица измерения электрического заряда определяется из закона Кулона, то этот коэффициент равен единице; если единица измерения заряда определяется из другого закона (как в системе СИ), то этот коэффициент является размерной величиной, отличной от единицы.

Итак, в системе СИ закон Кулона (для вакуума) записывается следующим образом:

F₁= F₂= (1/4πε₀) | Q₁Q₂ | /r ²,

где F₁ – сила, приложенная к первому телу; F₂ – сила, приложенная ко второму телу; 1/4πε₀ – коэффициент пропорциональности, равный 9×10⁹ Н м²/Кл²; Q₁, Q₂ – заряды соответственно первого и второго тел; r – расстояние между взаимодействующими телами.

4. Что такое электрическое поле?

Электрическим полем называется особым образом преобразованное пространство, окружающее электрически заряженные тела.

5. Что такое напряженность электрического поля?

Напряженностью электрического поля называется векторная характеристика электрического поля E, определяемая как отношение силы F, действующей в электрическом поле на электрически заряженное тело, к заряду Q этого тела:

E = F / Q.

Пусть Q = +1 Кл. Тогда получаем, что E = F /(+1), где F есть сила, действующая на заряд, равный +1 Кл. Отсюда следует, что

напряженность электрического поля численно и по направлению совпадает с силой, действующей на единичный положительный заряд.

6. Как определить напряженность электрического поля, создаваемого точечным зарядом?

а) Под точечным зарядом понимается электрически заряженная материальная точка; пусть ее заряд равен Q ₁.

б) Пусть нас интересует напряженность поля точечного заряда Q ₁ в точке, находящейся на расстоянии r от Q ₁.

в) Раздобудем где-нибудь еще один точечный заряд Q ₂(так называемый пробный заряд) и помещаем его в интересующую нас точку.

г) Согласно закону Кулона на пробный заряд Q ₂ действует сила

F₂= (1/4πε₀) | Q₁Q₂ | /r ².

д) Согласно определению напряженности электрического поля

E = F₂/Q₂ = (1/4πε₀) | Q₁ | /r ².

е) В предыдущем пункте д) получено выражение для модуля вектора напряженности поля. Чтобы определить направление вектора напряженности поля, достаточно вспомнить, что напряженность электрического поля по направлению совпадает с силой, действующей на единичный положительный заряд. Откуда следует, что для отрицательного заряда Q₁ напряженность поля направлена к заряду Q₁ вдоль прямой, соединяющей заряд Q₁ и интересующую нас точку. Для положительного заряда Q₁ напряженность поля направлена от заряда Q₁ вдоль той же прямой.

7. Что такое разность потенциалов двух точек электрического поля?

Разностью потенциалов двух точек 1 и 2электрического поля называется скалярная характеристика электрического поля, определяемая как отношение работы А_1→2, совершаемой при перемещении электрически заряженного тела източки 1 в точку 2 силой, действующей в электрическом поле на перемещаемое заряженное тело, к заряду Q этого тела:

φ ₁ - φ ₂ = А_1→2/Q.

Необходимые замечания.

а) Работа А_1→2 не зависит от траектории, по которой заряженное телоперемещается из точки 1 в точку 2.

б) Пусть Q = +1 Кл. Тогда φ ₁ - φ ₂ = А_1→2/(+1), где А_1→2 есть работа, совершаемая силой электрического поля при перемещении заряда +1 Кл из точки 1 в точку 2. Отсюда следует, что

разность потенциалов точек 1 и 2 электрического поля численно равна работе, совершаемой силой электрического поля при перемещении единичного положительного заряда из точки 1 в точку 2.

8. Что такое потенциал электрического поля в какой-либо точке?

Потенциалом электрического поля в точке 1 называется скалярная характеристика электрического поля, определяемая как отношение работы А_1→∞, совершаемой при перемещении электрически заряженного тела из точки 1 на бесконечно большое расстояние, силой, действующей в электрическом поле на перемещаемое заряженное тело, к заряду Q этого тела:

φ ₁= А_1→∞/Q.

Необходимые замечания.

а) Работа А_1→∞ не зависит от траектории, по которой заряженное телоперемещается из точки 1 на бесконечно большое расстояние.

б) Пусть Q = +1 Кл. Тогда φ ₁= А_1→∞/(+1), где А_1→∞ есть работа, совершаемая силой электрического поля при перемещении заряда +1 Кл из точки 1на бесконечно большое расстояние. Отсюда следует, что

потенциал электрического поля в точке 1 численно равен работе, совершаемой силой электрического поля при перемещении единичного положительного заряда из точки 1 на бесконечность.

9. Что такое проводник?

Проводниками называются тела (вещества), в которых электрически заряженные частицы – носители электрических зарядов – могут свободно перемещаться по всему объему этих тел.

10. Что такое диэлектрик?

Диэлектриками называются тела (вещества), в которых электрически заряженные частицы – носители электрических зарядов – не могут свободно перемещаться по всему объему этих тел.

11. Что такое диэлектрическая проницаемость?

Диэлектрическая проницаемость ε есть безразмерная величина, показывающая во сколько раз электрическое поле в диэлектрике меньше электрического поля в вакууме:

ε = Е₀/Е,

где Е₀ - напряженность электрического поля, создаваемого какой-то конфигурацией электрических зарядов в определенной точке пространства, когда эта точка находится в вакууме; Е – напряженность электрического поля, создаваемого той же конфигурацией электрических зарядов в той же точке пространства, когда эта точка находится в диэлектрике.

12. Как отличаются формулы, написанные в системе СИ для одних и тех же характеристик электрического поля в вакууме и в диэлектрике?

Формулы, написанные для диэлектрика, отличаются тем, что вместо размерной константы ε ₀, следует писать произведение εε ₀.

13. Что называется электроемкостью проводника?

Электроемкостью проводника называется физическая величина С, определяемая как отношение заряда проводника к его потенциалу:

С = Q/U,

где Q – заряд проводника, U – потенциал заряженного проводника.

14. Что такое электроемкость конденсатора?

Электроемкостью конденсатора называется физическая величина С, определяемая как отношение заряда конденсатора к разности потенциалов его обкладок:

С = Q/(U₁ – U₂),

где Q – заряд конденсатора (+ Q – заряд положительно заряженной обкладки, - Q – заряд отрицательно заряженной обкладки), U₁ – потенциал положительно заряженной обкладки, U₂ – потенциал отрицательно заряженной обкладки.

15. Чем определяются электроемкости проводника и конденсатора?

Электроемкости проводников и конденсаторов определяются их геометрическими формами и размерами.

Дата добавления: 2015-08-27