СИЛОВЫЕ ЛИНИИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ

ЛЕКЦИЯ № 6

 

Э Л Е К Т Р О Д И Н А М И К А

 

 

Э Л Е К Т Р О С Т А Т И К А. З А К О Н К У Л О Н А

 

Электростатика – раздел физики, в котором изучается взаимодействие и условия равновесия (покоя) электрических зарядов, неподвижных относительно инерциальной системы отсчета.

Несмотря на разнообразие веществ, в природе существует только два вида электрических зарядов. Один из них условно называют отрицательным, а второй – положительным. Электрический заряд тела величина релятивистски инвариантная, т.е. не зависит от того движется тело или покоится. Электрический заряд любого тела дискретен и кратен элементарному электрическому заряду e = 1,6 ∙10^-19.

 

q = Ne (1)

 

Всякий процесс электризации тел сводится к разделению зарядов, при этом в одном месте образуется избыток положительных, а в другом отрицательных зарядов. В замкнутой (изолированной) системе тел алгебраическая сумма зарядов остается неизменной при любых процессах, протекающих внутри этой системы. Это закон сохранения заряда.

В основе электростатики лежит закон Кулона, который определяет силу взаимодействия двух точечных зарядов q₁ и q₂, расположенных на расстоянии r_1,2 друг от друга:

 

, (2)

 

где ε₀ = 8,85·10^-12 Ф/м – диэлектрическая постоянная; ε – диэлектрическая проницаемость среды.

 

 

ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОЕ ПОЛЕ

СИЛОВЫЕ ЛИНИИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ

  . (3)  

РАБОТА СИЛ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОГО ПОЛЯ. ПОТЕНЦИАЛ

Электрическое поле, подобно гравитационному, является потенциальным. Т.е. работа, выполняемая электростатическими силами, не зависит от того, по… А1,2 = W1 – W2 . (7)  

НАПРЯЖЁННОСТЬ КАК ГРАДИЕНТ ПОТЕНЦИАЛА

Работа по перемещению точечного, положительного заряда q вдоль произвольного направления х из точки 1 в бесконечно близкую к ней точку 2, х2 – х1 =…   , (12)

Э Л Е К Т Р И Ч Е С К И Й Д И П О Л Ь

Электрический диполь – система двух равных по величине разноименных точечных зарядов +q и -q, расстояние между которыми значительно меньше… , (13)

Э Н Е Р Г И Я Э Л Е К Т Р О С Т А Т И Ч С К О Г О П О Л Я

Определим объёмную плотность энергии электрического поля. Для этого рассмотрим процесс зарядки плоского конденсатора, как работу по разделению… dА = dq∙u = C∙u∙du, (17)  

ДИЭЛЕКТРИКИ. ПОЛЯРИЗАЦИЯ ДИЭЛЕКТРИКОВ

В зависимости от концентрации свободных зарядов тела делятся на проводники (n0~1028 ÷ 1029 м-3), полупроводники (n0~1017 ÷ 1019м-3) и… Диэлектрики, как и любое другое вещество, состоят из нейтральных атомов и… Первую группу образуют вещества с симметричным распределением как положительных, так и отрицательных зарядов в…

Процесс ориентации дипольных моментов или их появление под воздействием внешнего электрического поля, что приводит к возникновению электрического момента у каждого элемента объема диэлектрика, называется поляризацией диэлектриков.

Различают три вида такой поляризации:

1. Электронная или деформационная – заключается в возникновении индуцированных дипольных моментов атомов вследствие деформации электронных оболочек, т.е. смещении электронных орбиталей относительно ядер.

2. Ориентационная или дипольная – упорядочение в расположении существующих дипольных моментов.

3. Ионная – возникает в результате встречного смещения кристаллических подрешёток: состоящей из положительно заряженных ионы по полю, а образованной отрицательными ионами – против поля. Количественно поляризация характеризуется поляризованностью (вектором поляризации)– векторной величиной, определяемой как суммарный дипольный момент единицы объёма диэлектрика:

, (21)

где р_i – дипольный момент одной молекулы; р_v – суммарный дипольный момент всего диэлектрика.

Из опыта известно, что для большого класса диэлектриков (за исключением сегнетоэлектриков) поляризованность линейно зависит от напряжённости внешнего поля :

= χε, (22)

где – напряжённость электрического поля в точке, для которой определяется ; χ (хи) – диэлектрическая восприимчивость вещества;

χ – всегда положительная, безразмерная величина. Для большинства диэлектриков (твёрдых и жидких) χ составляет всего несколько единиц (хотя, например, для спирта χ ≈ 25, а для воды χ = 80).

 

Для установления количественных за­кономерностей поля в диэлектрике внесем в однородное внешнее электростатическое поле Е₀ (создается двумя параллельными разноименно заряженны­ми плоскостями) пластинку из однородно­го диэлектрика, расположив ее перпендикулярно силовым линиям поля. Под действием поля диэлектрик поляризуется, т.е. происходит смещение зарядов: положительные смещаются по полю, отрицательные – против поля. В результате этого на грани диэлектрика, обращенной к отрицатель­ной плоскости, будет избыток положитель­ного заряда с поверхностной плотностью +σ, на левой – отрицательного заряда с поверхностной плотностью –σ. Эти не-скомпенсированные заряды, появляющие­ся в результате поляризации диэлектрика, называются связанными. Так как их по­верхностная плотность σ меньше плотно­

В результате поляризации на поверхности диэлектрика появляются связанные заряды (рис.). Вектор напряжённости поля связанных зарядов направлен внутри диэлектрика противоположно вектору напряжённости внешнего поля, вызвавшего поляризацию (рис.). Теперь, в соответствии с принципом суперпозиции, напряжённость поля внутри диэлектрика:

или . (23)

Напряжённость электрического поля связанных зарядов можно определить по формуле: , где σ^´– поверхностная плотность связанных зарядов. Можно показать, что поверхностная плотность

связанных зарядов равна модулю вектора поляризованности диэлек-трика – σ^´= Р. С учётом (13), подставив в (15) , получим: (24).

Откуда напряжённость результирующего поля внутри диэлектрика:

. (25)

Безразмерная величина ε = 1+χ называется диэлектрической проницаемостью среды. Из (17) видно, что диэлектрическая проницаемость количественно характеризует свойство диэлектрика поляризоваться и показывает, во сколько раз внешнее поле ослабляется данным диэлектриком.

 

 

П О С Т О Я Н Н Ы Й Э Л Е К Т Р И Ч Е С К И Й Т О К

Электрическим током называется любое упорядоченное дви-жение заряженных частиц. Ток в проводнике под воздействием электрического поля называется… , (1)  

За направление тока условились принимать направление движения положительных зарядов.

  (2)  

ЗАКОН ОМА В ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОЙ ФОРМЕ

Немецкий физик Г. Ом (1787 – 1854) экспериментально установил, что сила тока на участке, не содержащем ЭДС прямо пропорциональна напряжению: , (11)  

Э Л Е К Т Р И Ч Е С К И Й Т О К В М Е Т А Л Л А Х

Ток в металлах представляет собой движение не связанных с ионами кристаллической решеткой электронов. Первое опытное подтверждение того, что в… Сопротивление чистых металлических проводников при не очень низких… R = R0 (1+ α·t0C), откуда

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК В ЭЛЕКТРОЛИТАХ И РАСПЛАВАХ

Если в электролит или расплав ввести две твердотельных пластинки (электроды) и подать на них напряжение, то возникает электрический ток, который… Количественно электролиз описывается законами Фарадея:  

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК В ГАЗАХ

НЕСАМОСТОЯТЕЛЬНЫЙ ГАЗОВЫЙ РАЗРЯД

Газы при не слишком высоких температу­рах и при давлениях, близких к атмосфер­ному, являются хорошими изоляторами. Если поместить в сухой… При ионизации газов происходит вырывание из внешней электронной оболочки атома… Для того чтобы оторвать от молекулы или атома один электрон, необходимо совершить оп­ределенную работу Аи, т.е .…

САМОСТОЯТЕЛЬНЫЙ ГАЗОВЫЙ РАЗРЯД И ЕГО ТИПЫ

 

Разряд в газе, сохраняющийся после прекращения действия внешнего иониза­тора, называется самостоятельным.

Однако ударной ионизации под дей­ствием электронов недостаточно для под­держания разряда при удалении внешнего ионизатора. Для этого необходимо,… Наконец, при значительных напряже­ниях между электродами газового проме­жутка… В результате описанных процессов число ионов и электронов в объеме газа лавинообразно возрастает, и разряд становится…

П Л А З М А И Е Ё С В О Й С Т В А

Заряженные частицы (электроны, ионы) газоразрядной плазмы, находясь в ускоряющем электрическом поле, обла­дают различной средней кинетической… Высокотемпературная плазма являет­ся равновесной, или изотермической, т. е.… Плазма обладает следующими основ­ными свойствами: высокой степенью иони­зации газа, в пределе — полной иониза­цией;…