Электростатика. 

  Электростатика – это учение о свойствах и взаимодействии электрических зарядов, неподвижных по отношению к избранной инерциальной системе отсчёта. 

Закон сохранения электрического заряда. Проводники, диэлектрики, полупроводники.

      Существуют два типа заряда: положительный и отрицательный. Опытным путём было установлено, что элементарный заряд дискретен, то есть заряд любого тела составляет целое, кратное от некоторого электрического заряда. Электрон и протон являются носителями элементарных отрицательного и положительного зарядов. Из обобщённых опытных данных был установлен фундаментальный закон природы, впервые сформулированный английским физиком Фарадеем.

      Закон сохранения электрического заряда: алгебраическая сумма электрических зарядов любой замкнутой системы остаётся неизменной, какие бы процессы не проходили внутри этой системы.

      Система называется замкнутой, если она не обменивается электрическими зарядами с внешними телами.

      Электрический заряд – величина релятивистская, инвариантная, то есть не зависит от выбранной системы отсчёта. А значит, не зависит от того, движется этот заряд или покоится.

      Наличие носителя заряда (электронов и ионов) является условием того, что тело проводит электрический ток. В зависимости  от способности проводить электрический ток, тела делятся на:

• проводники
• диэлектрики
• полупроводники.

      Проводники – тела, в которых электрический заряд может перемещаться по всему его объёму. Проводники делятся на две группы:

1. проводники первого рода (металлы) – перенос в них электрических зарядов (свободных электронов) не сопровождается химическими превращениями;
2. проводники второго рода (расплавы солей, растворы солей и кислот и другие) – перенос в них зарядов (положительно и отрицательно заряженных ионов) ведёт к химическим изменениям.

      Диэлектрики (стекло, пластмасса) – тела, которые не проводят электрический ток, если к этим телам не приложено сильное внешнее электрическое поле; в них практически отсутствуют свободные заряды.

      Полупроводники (германий, кремний) – занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. Их проводимость сильно зависит от внешних условий (температура, ионизирующее излучение и т.д.).

      Единица электрического заряда – Кулон (Кл) – электрический заряд, проходящий через поперечное сечение проводника при токе в 1 ампер за время 1 секунда. 

      Электрический заряд и его  свойства. Электрическое  поле и его характеристики. Закон Кулона. Электрическое  поле точечного заряда. Принцип суперпозиции. 

      Электрическим зарядом называется величина, характеризующая взаимодействия между частицами и телами посредством электрических и магнитных полей (электромагнитное взаимодействие).

      Особенностью  электромагнитных взаимодействий  является то, что они являются более  интенсивными, чем гравитационные. Они занимают второе место (после ядерных сил) по взаимодействию.

      1 – ядерные взаимодействия                         1

      2 – электромагнитные взаимодействия      0,1

      3 – слабо ядерные взаимодействия            

      4 – гравитационные взаимодействия         

      Электрический заряд является неотъемлемым свойством  элементарных частиц. Все элементарные частицы являются носителями положительного или отрицательного электрических  зарядов. Кл. Заряд любого тела обусловлен суммой электрических зарядов, входящих в него.

             

      Появление зарядов у тел происходит в  результате взаимодействия тел между  собой или со средой (передача электрических  зарядов от заряженных тел – электризация; передача электрических зарядов между разнородными телами,  при этом они заряжаются положительно или отрицательно; передача электрических зарядов на расстояние – электрическая индукция).

      В замкнутой системе суммарный  заряд не изменяется  входе любых  химических и физических процессов.

      Электрический заряд – инвариантная физическая характеристика (не зависит от выбора системы отсчёта).

      Взаимодействие  электрических зарядов осуществляется посредством электромагнитных полей. Движущиеся электрические  заряды создают  в пространстве электрические и магнитные поля, что приводит к возникновению электрических и магнитных сил и взаимодействий (Кулоновские силы и силы Лоренца). Наиболее простое взаимодействие осуществляется для неподвижных по отношению друг к другу – статическое взаимодействие.

      Поля, которые создают заряды – электростатические. Характеристиками электростатических полей являются напряжённость и  потенциал.

      Напряжённость электростатического поля – величина, равная отношению силы, действующей на пробный заряд, помещённый в другую точку поля к величине этого заряда.

       ,    где  -  пробный   заряд.

      

      Потенциалом называется величина, равная отношению потенциальной энергии пробного заряда, помещённого в данную точку поля к величине этого заряда.

      

      Электростатическое  поле – потенциальное поле, а  электростатическая сила – консервативная сила.  

      Модели  заряженных тел.

      1 – модель точечного заряда – любое заряженное физическое тело. Если поле определяется на расстоянии то оно  больше, чем размеры тела.

      2 – модели распределения зарядов:

        Линейный заряд:

, 

  - поверхностная плотность заряда.

  - объёмная плотность распределения заряда. 

Закон Кулона в поле точечного  заряда. 

      Два тела взаимодействуют между собой  с силами, пропорциональными произведению этих зарядов и обратно пропорциональны  квадрату расстояния между ними.

      (Рисунок)

      

      Закон Кулона является экспериментальным  законом и он также вытекает из другого закона.

      Эксперименты  Кулона проводились на специальных  крутильных весах.

         - векторная форма записи  закона Кулона.

      (Рисунок)

      

         - напряжённость поля точечного  заряда.

      Если  q > 0    (рисунок)

      Для упрощения графического изображения  векторного поля вводится параллельные линии вектора напряжённости (силовые линии). Линии напряжённости – линии, касательные  к которым в каждой точке совпадают с вектором напряжённости.

      Число линий, которое используется для  изображения этого поля, численно равно значению напряжённости в  данной точке.

      (рисунок)

      Если  q < 0 

      (рисунок) 

      Линии напряжённости начинаются на положительных и отрицательных зарядах или уходит в бесконечность. 

      Электростатическое  поле диполя.

      Диполь – система положительных и отрицательных зарядов, находящихся в этом поле.

      (Рисунок)

       - дипольный момент данной  системы.

      Вода

      (Рисунок)

      Принцип суперпозиции: напряжённость результирующего поля находится путём определения геометрической суммы простых полей.

      (Рисунок)