Учебник по физике для поступающих в ВУЗ /Экзаменационные вопросы по физике (2006-2007)/

φ =

Потенциальная энергия заряда в точке с потенциалом φ

Wq = qφ

Эквипотенциальная поверхность – поверхность, во всех точках которой потенциал одинаков

Линии напряженности электростатического поля перпендикулярны эквипотенциальным поверхностям и направлены от большего потенциала к меньшему.

Работа силы электростатического поля равна произведению величины перемещаемого заряда на разность потенциалов в начальной и конечной точках

Aq = qU

Разность потенциалов в однородном поле между двумя точками, находящимися на расстоянии d друг от друга, вдоль линии напряженности Е

U = Ed

Проводник – вещество, в котором свободные заряды могут перемещаться по всему объему

Диэлектрик – вещество, содержащее только связанные заряды, которые не могут независимо друг от друга перемещаться под действием электрического поля.

Полупроводник – вещество, в котором количество свободных зарядов зависит от внешних условий (температуры, электрического поля)

Относительная диэлектрическая проницаемость среды e – число, показывающее во сколько раз напряженность электростатического поля в однородном диэлектрике меньше соответствующей напряженности в вакууме.

Электроемкость уединенного проводника – физическая величина, равная отношению заряда проводника к его потенциалу

C =

Единица измерения – Ф (фарада)

1 Ф = 1 Кл/В

Электроемкость конденсатора – физическая величина, равная отношению заряда одного из проводников к разности потенциалов между этим проводником и соседним

C =

Электроемкость плоского конденсатора с диэлектриком

C =

S – площадь пластин

d – расстояние между пластинами

e - относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрика

Энергия, запасенная в электростатическом поле конденсатора

W =  =

Объемная плотность энергии пропорциональна квадрату напряженности поля.

w =

ЭЛЕКТРИЗАЦИЯ ТЕЛ(уч.10кл.стр.350-352)

Определение и примеры

Физическая модель процесса электризации

Способы электризации тел и примеры их использования

Непосредственное действие электромагнитных сил между телами не обнаруживается, так как тела в обычном состоянии электрически нейтральны. Нейтрален атом любого вещества, число электронов в нем равно числу протонов в ядре. Положительно и отрицательно заряженные частицы связаны друг с другом электрическими силами и образуют нейтральные системы.

Макроскопическое тело заряжено электрически в том случае, если оно содержит избыточное количество элементарных частиц с каким-либо одним знаком. Так, отрицательный заряд обусловлен избытком электронов по сравнению с числом протонов, а положительный – недостатком электронов.

Электризация – процесс получения электрически заряженных макроскопических тел из электронейтральных

Первые наблюдения притяжения и отталкивания тел в результате трения отмечены в Греции в VI в.д.н.э. После полировки янтарь притягивал кусочки бумаги, волосы.

Взаимодействие тел в результате трения было названо электрическим (от греч. electron – янтарь)

Степень электризации тел характеризуется значением и знаком электрического заряда, полученного телом.

Каучук, натертый о мех, оказывается отрицательно заряженным.

Стекло, натертое о шелк, - положительно заряженным.

При этом мех заряжается положительно, а шел – отрицательно.

 Причина электризации – в различии энергии связи электрона с атомом у разных веществ. При взаимном трении одни вещества отдают электроны, а другие их присоединяют.

Заряды взаимодействующих при электризации веществ равны по модулю.

(см. закон сохранения заряда)

С помощью опыта можно доказать, что при электризации трением ода тела приобретают заряды, противоположные по знаку, но одинаковые по модулю.

Заряды приобретаемые при электризации всегда кратны заряду электрона «е» и являются дискретными.

Существует три способа электризации тел:

1. Электризация через трение - трибоэлектризация.

2. Электризация наведением (явление электростатической индукции).

3. Электризация с помощью электритирования. РАСШИФРОВАТЬ ПОНЯТИЕ

Электрические заряды сохраняются на заряженных телах различное время в зависимости от способа электризации: трением или наведением – короткое время; электритированием - - годы и десятки лет.

При трении стекла об асбест, стекло заряжается отрицательно, а асбест – положительно.

Это означает, что одно и тоже вещество при трении с различными веществами может получать заряд разного знака.

Электризация вещества может происходить не только в результате трения, но и в результате соприкосновения с заряженным телом, нагревании, световом облучении и т.д.

Электризация при облучении используется, например, в ксероксе.

При электризации тел выполняется закон сохранения электрического заряда:

В замкнутой системе алгебраическая сумма зарядов всех частиц остается неизменной

q1 + ... + qn = const

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЗАРЯД(уч.10кл.стр.347-349,356)

Определение электродинамики и электростатики

Электромагнитное взаимодействие

Определение электрического заряда

Единица измерения.

Эталон заряда(уч.10кл.стр.356 см. закон Кулона)

Виды электрических зарядов

Элементарный электрический заряд (элементарные частицы)

Квантование заряда

Закон сохранения заряда (см.ниже)

Если частицы взаимодействуют друг с другом с силами, которые убывают с увеличением расстояния так же, как и силы всемирного тяготения, но превышают силы тяготения во много раз, то говорят, что эти частицы имеют электрический заряд. Сами частицы называются заряженными. Бывают частицы без электрического заряда, но не существует заряда без частицы.

Взаимодействия между заряженными частицами носят название электромагнитных. Электрический заряд определяет интенсивность электромагнитных взаимодействий подобно тому, как масса определяет интенсивность гравитационных взаимодействий.

Наличие электрического заряда у частиц означает лишь существование определенных силовых взаимодействий между ними.

Понятие заряда является фундаментальным и не может быть сведено или выражено через другие понятия.

Способность частиц (или тел) к электромагнитному взаимодействию характеризует электрический заряд.

Электрический заряд – физическая величина, определяющая силу электромагнитного взаимодействия.

Создать макроскопический эталон единицы электрического заряда невозможно из-за утечки заряда. Естественно было бы за единицу принять заряд электрона, что и сделано в атомной физике, но этот заряд слишком мал и поэтому пользоваться им в качестве единицы неудобно.

В СИ единица заряда является не основной, а производной и эталон для нее не вводится. Она определяется с помощью Ампера – основной единицы СИ.

Единица электрического заряда – Кл (Кулон) (в честь французского ученого Кулона Шарля Огюстена)

Обозначение - q

Кулон – электрический заряд, проходящий через поперечное сечение проводника при силе тока в 1 А за 1 с

Существует два вида электрических зарядов – положительные и отрицательные.

Выбор названия зарядов был исторической случайностью.

Одноименные заряды отталкиваются, разноименные – притягиваются.

Носителями заряда могут быть элементарные частицы, атомы, молекулы, макроскопические тела.

Экспериментально было установлено, что существует минимальное значение электрического заряда, одинаковое по модулю для положительных и отрицательных зарядов. Отделить часть такого заряда невозможно.

Если элементарная частица имеет заряд, то его значение, как показали опыты, строго определено. (Опыт Милликена-Иоффе по определению заряда электрона)

Наименьший электрический заряд имеют элементарные частицы.

Протон обладает минимальным положительным зарядом,

электрон – минимальным отрицательным

е = 1.6 *10-19 Кл

Результирующий заряд атома или молекулы складывается из зарядов протонов и электронов, входящих в их состав

Q = ne

e = 1,6*10-19 Кл минимальный заряд

Квантование заряда:

Электрический заряд дискретен (квантован)

Суммарный заряд пропорционален величине минимального заряда.

Макроскопические тела, состоящие из нейтральных атомов, электрически нейтральны.

Нарушение электронейтральности возможно при удалении электронов из электронных оболочек атомов или при добавлении электронов к электронным оболочкам.

Атомы с удаленными или добавленными электронами приобретают заряд и называются ионы.

Обозначение: Li+ Li- - однозарядные положительный и отрицательный ионы.

При удалении электронов – ионизации – тело заряжается положительно.

Обычно результирующий избыточный заряд тела много меньше полного заряда протонов и электронов в отдельности, так как удается ионизовать лишь незначительную часть атомов образца.

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ЗАРЯДОВ(уч.10кл.стр.347-349,)

См.выше Электрический заряд. Определение. Квантование (уч.10кл.стр.347-349)

ЭЛЕМЕНТАРНЫЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЗАРЯД(уч.10кл.стр.347-349)

См.выше Электрический заряд. Определение. Квантование (уч.10кл.стр.347-349)

Элементарный электрический заряд (элементарные частицы)

Заряд макротела

Квантование заряда

ЗАКОН СОХРАНЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ЗАРЯДА(уч.10кл.стр.352-353)

Понятия электрически изолированной системы

Закон сохранения заряда. Формулировка и формула

Физический смысл закона сохранения заряда

Зависимость закона от системы отсчета

Электрически изолированная система – система тел, через границу которой не проникают заряды.

В результате взаимодействия тел внутри электрически изолированной системы заряды перераспределяются между телами. Полный заряд такой системы не изменяется.

Закон сохранения заряда:

Алгебраическая сумма электрических зарядов изолированной системы постоянна.

Q1 + … + Qn = const

n – число зарядов в системе

В соответствии с законом сохранения заряда разноименные заряды рождаются и исчезают попарно.

Закон сохранения заряда имеет глубокий смысл. Если число заряженных элементарных частиц не меняется, то выполнение закона сохранения заряда очевидно. Но элементарные частицы могут превращаться друг в друга, рождаться и исчезать, давая начало новым частицам.

Однако во всех случаях заряженные частицы рождаются только парами с одинаковым по модулю и противоположным по знаку зарядом. Исчезают заряженные частицы тоже только парами, превращаясь в нейтральные.

Во всех случаях сумма зарядов остается постоянной.

Закон сохранения заряда справедлив в любой инерциальной системе отсчета.

Наблюдатели в разных инерциальных системах отсчета, измеряя один и тот же заряд, получают одно и тоже значение.

Причина закона сохранения заряда до сих пор не известна.

ЗАКОН КУЛОНА(уч.10кл.стр.354-362)

Основной закон электростатики. Понятие точечного заряженного тела.

Измерение силы взаимодействия зарядов с помощью крутильных весов. Опыты Кулона

Определение точечного заряда

Закон Кулона. Формулировка и формула

Сила Кулона

Определение единицы заряда

Коэффициент в законе Кулона

Сравнение электростатических и гравитационных сил в атоме

Равновесие статических зарядов и его физический смысл (на примере трех зарядов)

Основной закон электростатики – закон взаимодействия двух неподвижных точечных заряженных тел.

Установлен Шарлем Огюстеном Кулоном в 1785 году и носит его имя.

В природе точечных заряженных тел не существует, но если расстояние между телами во много раз больше их размеров, то ни форма, ни размеры заряженных тел существенно не влияют на взаимодействия между ними. В током случае эти тела можно рассматривать, как точечные.

Сила взаимодействия заряженных тел зависит от свойств среды между ними. Опыт показывает, что воздух очень мало влияет на силу этого взаимодействия и она оказывается почти такой же как в вакууме.

Опыт Кулона

Первые результаты по измерению силы взаимодействия зарядов получены в 1785 г. французским ученым Шарлем Огюстеном Кулоном

Для измерения силы использовались крутильные весы.

Маленькая тонкая незаряженная золотая сфера на одном конце изолирующего коромысла, подвешенного на упругой серебряной нити, уравновешивалась на другом концу коромысла бумажным диском.

Поворотом коромысла она приводилась в контакт с такой же неподвижной заряженной сферой, в результате чего ее заряд делился поровну между сферами.

Диаметр сфер выбирался много меньше расстояния между ними, чтобы исключить влияние размеров и формы заряженных тел на результаты измерений.

Точечный заряд – заряженное тело, размер которого много меньше расстояния его возможного действия на другие тела.

Сферы, имеющие одноименные заряды, начинали отталкиваться, закручивая нить. Угол поворота был пропорционален силе, действующей на подвижную сферу.

Расстояние между сферами измерялось по специальной градуировочной шкале.

Разряжая сферу 1 после измерения силы и соединяя ее вновь с неподвижной сферой, Кулон уменьшал заряд на взаимодействующих сферах в 2,4,8 и т.д. раз,

Закон Кулона:

Сила взаимодействия между двумя неподвижными точечными зарядами, находящимися в вакууме, прямо пропорциональна произведению модулей зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними, и направлена по прямой, соединяющей заряды.

F12 = k

k – коэффициент пропорциональности, зависящий от выбора системы единиц.

Силу F12 называю силой Кулона

Сила Кулона центральная, т.е. направлена по линии соединяющей центры зарядов.

В СИ единица заряда является не основной, а производной, и определяется с помощью Ампера – основной единицы СИ.

Кулон – электрический заряд, проходящий через поперечное сечение проводника при силе тока в 1 А за 1 с

В СИ коэффициент пропорциональности в законе Кулона для вакуума:

k = 9*109 Нм2/Кл2

Часто коэффициент записывают в виде:

k =

e0 = 8,85*10-12 Кл2/(Нм2) – электрическая постоянная

Закон Кулона записывается в форме:

F12 =  

Если точечный заряд поместить в среду с относительной диэлектрической проницаемостью e, отличную от вакуума , кулоновская сила уменьшится в e раз.

У любой среды кроме вакуума e > 1

F12 =  

Согласно закону Кулона два точечных заряда по 1 Кл, на расстоянии 1 м в вакууме, взаимодействуют с силой

F = 9*109Н

Из этой оценки видно, что заряд в 1 Кулон – очень большая величина.

На практике пользуются дольными единицами – мкКл (10-6), мКл (10-3)

1 Кл содержит 6*1018 зарядов электронов.

На примере сил взаимодействия электрона и протона в ядре можно показать, что электростатическая сила взаимодействия частиц больше гравитационной примерно на 39 порядков. Однако электростатические силы взаимодействия макроскопических тел ( в целом электронейтральных) определяются лишь очень малыми избыточными зарядами, находящимися на них, и поэтому не велики по сравнению с гравитационными, зависящими от массы тел.

Возможно ли равновесие статических зарядов?

Рассмотрим систему из двух положительных точечных зарядов q1 и q2.

Найдем, в какую точку следует поместить третий заряд, чтобы он находился в равновесии, а так же определим величину и знак этого заряда.

Статическое равновесие возникает тогда, когда геометрическая (векторная) сумма сил, действующих на тело, равна нулю.

Точка, в которой силы, действующие на третий заряд q3, могут компенсировать друг друга, находится на прямой между зарядами.

При этом заряд q3 может быть как положительным так и отрицательным. В первом случае компенсируются силы отталкивания, во втором – силы притяжения.

Учитывая закон Кулона статическое равновесие зарядов будет в случае:

k  = k

Равновесие заряда q3 не зависит ни от его величины, ни от знака заряда.

При изменении заряда q3 в равной мере меняются как силы притяжения (q3 положительный), так и силы отталкивания (q3 отрицательный)

Решив квадратное уравнение относительно x можно показать, что заряд любого знака и величины будет находится в равновесии в точке на расстоянии x1 от заряда q1:

x1 = l

Выясним устойчивым или неустойчивым будет положение третьего заряда.

(При устойчивом равновесии тело, выведенное из положения равновесия, возвращается к нему, при неустойчивом – удаляется от него)

При горизонтальном смещении силы отталкивания F31, F32 меняются из-за изменения расстояний между зарядами, возвращая заряд к положению равновесия.

При горизонтальном смещении равновесие заряда q3 устойчивое.

При вертикальном смещении, равнодействующая F31, F32 выталкивает q3

от положения равновесия вверх или вниз.

При вертикальном смещении равновесие заряда q3 неустойчивое.

Система статических зарядов не может быть устойчивой

По этой причине стабильное вещество может строиться лишь из движущихся зарядов.

ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ

Электрическое поле существует реально. Его свойства можно исследовать опытным путем.

Поле материально; оно существует независимо от нас и от наших знаний о нем;

поле обладает определенными свойствами, которые не позволяют спутать его с чем-либо другим в окружающем мире.

Электрическое поле – особый вид материи, отличающийся от вещества.

Главное свойство электрического поля – действие его на электрические заряды с некоторой силой. По действию на заряд устанавливают существование поля, распределение его в пространстве, изучают его характеристики.

Сила, с которой электрическое поле действует на внесенный в него электрический заряд, называется электрической силой.

Электрическое поле неподвижных зарядов называют электростатическим. Оно не меняется со временем. Электростатическое поле создается только электрическими зарядами. Оно существует в пространстве, окружающем эти заряды, и неразрывно связано с ними (не может существовать поля без электрического заряда)

Доказательство реальности существования электрического поля – конечная скорость распространения электромагнитных взаимодействий.

НАПРЯЖЕННОСТЬ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ(уч.10кл.стр.363-368, 374)

Заряд – источник электромагнитного поля

Силовая характеристика электростатического поля. Пробный заряд

Определение и формула напряженности электростатического поля

Единицы измерения

Вектор напряженности

Сила действующая на заряд, помещенный в поле

Линии напряженности поля

Сгущение линий напряженности поля

Модуль напряженности

Однородное электростатическое поле.

Напряженность электрического поля точечного заряда

Напряженность электрического поля сферы (см.ниже уч.10кл.стр.374)

Напряженность электрического поля заряженной плоскости(см.ниже уч.10кл.стр.374)

Согласно идее Фарадея электрические заряды не действуют друг на друга непосредственно. Каждый их них создает в окружающем пространстве электрическое поле. Поле одного заряда действует на другой, и наоборот.

По мере удаления от заряда поле ослабевает.

Основываясь на идеях Фарадея Максвелл сумел теоретически доказать, что электромагнитные взаимодействия должны распространяться в пространстве с конечной скоростью

Заряд является источником электромагнитного взаимодействия, или источником электромагнитного поля, распространяющегося в пространстве со скоростью света.

Рассмотрим действие электростатического поля точечного положительного заряда Q на пробный заряд q, помещенный в поле.

Пробный заряд должен быть настолько мал, чтобы не искажать исследуемое поле. Пробный заряд выбирают положительным по знаку.

По закону Кулона сил отталкивания, действующая на пробный заряд, зависит не только от заряда Q, но и от пробного заряда. Это неудобно для характеристики поля.

Fqo= k

Отношение силы, действующей на пробный заряд q0, к его величине не зависит от модуля заряда.

Напряженность электростатического поля – векторная физическая величина, равная отношению силы Кулона, с которой поле действует на пробный положительный заряд, помещенный в данную точку поля, к этому заряду:

Единица измерения – Н/Кл

Напряженность поля – силовая характеристика электростатического поля

Напряженность поля точечного положительного заряда обратно пропорциональна квадрату расстояние от него:

Fqo= k  ;  Þ E = k

Напряженность электростатического поля в данной точке пространства численно равна силе Кулона, с которой поле действует на пробный единичный положительный заряд, помещенный в этой точке.

Направление вектора напряженности совпадает с направлением силы Кулона, действующей на единичный положительный заряд, помещенный в данную точку поля.

Принцип суперпозиции полей :

Если в данной точке пространства различные заряженные частицы создают электрические поля, то результирующая напряженность поля в этой точке равна векторной сумме напряженностей полей, создаваемых каждой из частиц.

Для большей наглядности электростатическое поле представляют непрерывными линиями напряженности. (В реальности таких линий не существует. Они введены лишь для наглядности представления напряженности поля в пространстве)

Линии напряженности поля – линии, касательные к которым в каждой точке поля совпадают с направлением вектора напряженности электростатического поля в данной точке.

Линии напряженности электростатического поля, созданного точечным положительным зарядом, направлены радиально от заряда, так как пробный положительный заряд в любой точке отталкивается от него.

Линии напряженности электростатического поля, созданного точечным отрицательным зарядом, направлены радиально к заряду, так как пробный положительный заряд в любой точке притягивается к нему.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39, 40, 41, 42, 43