Elektrostatika, grana teorije elektriciteta koja proučava interakciju stacionarnih električnih naboja. Elektrostatika, koja proučava stacionarnu interakciju sila između makroskopskih stacionarno nabijenih tijela, temelji se na tri eksperimentalno utvrđene činjenice: prisutnosti dvije vrste električnih naboja, postojanju interakcije između njih koju vrši električno polje i principu superpozicije, kada interakcija bilo koja dva naboja ne zavisi od prisustva drugih.

Postoje dvije vrste naboja, pozitivne, označene znakom plus "+", i negativne, označene znakom minus "-". Naelektrisanja stvaraju električno polje oko sebe. Polje stacionarnog naelektrisanja je elektrostatičko polje. Električni naboj i električno polje su primarni koncepti elektrostatike.

Ukupni naboj tijela, i pozitivan i negativan, uvijek je višekratnik nekog elementarnog električnog naboja. U elektrostatici se proučavaju fizičke veličine prosječne u prostoru i vremenu. Pri usrednjavanju u prostoru koriste se uobičajene metode fizike kontinuuma; usrednjavanje tokom vremena omogućava da se naelektrisanja u toplotnom kretanju smatraju stacionarnim. Pozitivni i negativni naboji su komponente molekule, i sva makroskopska tijela sadrže ogroman broj pozitivnih i negativnih naboja, ali o elektrostatičkoj interakciji govorimo samo u slučaju kada tijelo ima višak naboja istog znaka. Naboj makroskopskog tijela određen je ukupnim nabojem elementarnih čestica koje čine ovo tijelo. Usrednjavanje omogućava razmatranje ne samo pojedinačnih naboja, već i uvođenje ideje o volumetrijskoj gustoći naboja. Zakon održanja naelektrisanja kaže da se naelektrisanje održava u zatvorenom sistemu.

Mjera električno polje, koji vrši interakciju naboja, u bilo kojoj tački je napetost . Električno polje se prikazuje pomoću linija sile - linija čija se tangentna linija poklapa sa smjerom jačine polja. Jačina polja u bilo kojoj tački proporcionalna je veličini formirajućeg naboja, stoga je, u principu, moguće dodijeliti određeni ograničeni broj linija polja elementarnom naboju.

Električni naboji istog znaka se međusobno odbijaju, naboji suprotnog predznaka se međusobno privlače. Princip rada elektrometra je zasnovan na ovom fenomenu. Registracija interakcija naboja uvijek se vrši na udaljenostima znatno većim od međuatomskih udaljenosti. Između električnih naboja, čija se veličina može zanemariti, djeluje sila čija je veličina određena Coulombovim zakonom. Coulombov zakon, osnovni zakon elektrostatike, određuje silu interakcije između stacionarnih točkastih naboja ovisno o njihovoj veličini i udaljenosti između njih.

Iz Coulombovog zakona slijedi da rad električnih sila pri kretanju naboja ne ovisi o putanji po kojoj se naboj kreće od jedne točke do druge, već je određen samo položajem tih tačaka u prostoru. Ako se jedna od tačaka odvede u beskonačnost, tada u svakoj tački možemo pridružiti električni potencijal, koji karakterizira rad koji je potrebno obaviti da bi se jedinični naboj prenio iz beskonačnosti u datu tačku. Ako u električnom polju povežemo sve tačke sa isti potencijal, tada dobijamo površinu jednakih potencijala, odnosno ekvipotencijalnu površinu.

Princip superpozicije električnih polja jedan je od osnovnih principa elektrostatike i predstavlja generalizaciju mnogih zapažanja. U skladu sa principom superpozicije, električni intenzitet E polja nekoliko stacionarnih tačkastih naelektrisanja q1, q2, q3...jednako vektorska suma jačine polja koje bi svako od ovih naelektrisanja stvorilo u odsustvu ostalih. U stvari, to znači da prisustvo drugih naelektrisanja ne utiče na polje koje stvara dato naelektrisanje.

Zakon interakcije električnih naboja može se formulisati kao Gaussov teorem, koji se može smatrati posljedicom Coulombovog zakona i principa superpozicije. Tipični problemi elektrostatike su pronalaženje raspodjele naelektrisanja na površinama provodnika na osnovu poznatih ukupnih naelektrisanja ili potencijala svakog od njih, kao i izračunavanje energije sistema provodnika iz njihovih naelektrisanja i potencijala. Elektrostatika također proučava ponašanje različitih materijala - provodnika i dielektrika - u električnom polju.

... Sva predviđanja elektrostatike proizlaze iz njena dva zakona.
Ali jedno je matematički izraziti te stvari, a sasvim drugo
primijenite ih s lakoćom i s pravom dozom duhovitosti.
Richard Feynman

Elektrostatika proučava interakciju stacionarnih naelektrisanja. Ključni eksperimenti u elektrostatici izvedeni su u 17. i 18. veku. Sa otkrićem elektromagnetnih fenomena i revolucijom u tehnologiji koju su oni proizveli, interes za elektrostatiku je izgubljen na neko vrijeme. Međutim, moderno Naučno istraživanje pokazuju ogromnu važnost elektrostatike za razumijevanje mnogih procesa žive i nežive prirode.

Elektrostatika i život

Godine 1953. američki naučnici S. Miller i G. Urey pokazali su da se jedan od "građevinskih blokova života" - aminokiseline - može dobiti propuštanjem električnog pražnjenja kroz plin sličan po sastavu primitivnoj atmosferi Zemlje, koji se sastoji od metana, amonijaka, vodonika i vodene pare. U narednih 50 godina, drugi istraživači su ponavljali ove eksperimente i dobili iste rezultate. Kada se kratki impulsi struje prođu kroz bakterije, u njihovoj ljusci (membrani) se pojavljuju pore kroz koje mogu proći fragmenti DNK drugih bakterija, pokrećući jedan od mehanizama evolucije. Dakle, energija potrebna za nastanak života na Zemlji i njegovu evoluciju bi zaista mogla biti elektrostatička energija munje (slika 1).

Kako elektrostatika uzrokuje munje

U svakom trenutku, oko 2.000 munja bljesne na različitim tačkama na Zemlji, oko 50 munja udari u Zemlju svake sekunde, a svaki kvadratni kilometar Zemljine površine u prosjeku šest puta godišnje pogodi grom. Još u 18. veku, Benjamin Franklin je dokazao da su munje koje udaraju iz grmljavinskih oblaka električna pražnjenja koja nose negativan naplatiti. Štaviše, svako od pražnjenja napaja Zemlju sa nekoliko desetina kulona električne energije, a amplituda struje prilikom udara groma kreće se od 20 do 100 kiloampera. Brze fotografije pokazale su da udar groma traje samo desetinke sekunde i da se svaka munja sastoji od nekoliko kraćih.

Pomoću mjernih instrumenata instaliranih na atmosferskim sondama, početkom 20. vijeka izmjereno je Zemljino električno polje, čija je jačina na površini bila približno 100 V/m, što odgovara ukupnom naboju planete oko 400.000 C. Nositelj naboja u Zemljinoj atmosferi su ioni čija koncentracija raste s visinom i dostiže maksimum na visini od 50 km, gdje se pod utjecajem kosmičkog zračenja formirao elektroprovodljivi sloj - jonosfera. Stoga možemo reći da je Zemljino električno polje polje sfernog kondenzatora primijenjenog napona od oko 400 kV. Pod uticajem ovog napona iz gornjih slojeva u donje sve vreme teče struja od 2–4 kA, čija je gustina (1–2) 10–12 A/m 2, a energija se oslobađa. do 1,5 GW. A da nije bilo munje, ovo električno polje bi nestalo! Ispostavilo se da se po lijepom vremenu električni kondenzator Zemlje prazni, a za vrijeme grmljavine puni.

Grmljavinski oblak je ogromna količina pare, od kojih se neke kondenzovale u sitne kapljice ili ledene plohe. Vrh grmljavinskog oblaka može biti na visini od 6-7 km, a dno može visjeti iznad tla na visini od 0,5-1 km. Iznad 3-4 km, oblaci se sastoje od ledenih ploča različitih veličina, jer je tamo temperatura uvijek ispod nule. Ovi komadi leda su u stalnom kretanju, uzrokovani rastućim strujama toplog zraka koji se dižu odozdo sa zagrijane površine zemlje. Mali komadi leda su lakši od velikih, a odnesu ih rastuće vazdušne struje i usput se sudaraju sa velikim. Sa svakim takvim sudarom dolazi do elektrifikacije, u kojoj su veliki komadi leda nabijeni negativno, a mali - pozitivno. S vremenom se pozitivno nabijeni mali komadi leda skupljaju uglavnom u gornjem dijelu oblaka, a negativno nabijeni veliki - na dnu (slika 2). Drugim riječima, vrh oblaka je nabijen pozitivno, a donji - negativno. U ovom slučaju, pozitivni naboji se induciraju na tlu direktno ispod grmljavinskog oblaka. Sada je sve spremno za pražnjenje groma, u kojem dolazi do sloma zraka i negativni naboj sa dna grmljavinskog oblaka teče na Zemlju.

Tipično je da prije grmljavine jačina Zemljinog električnog polja može dostići 100 kV/m, odnosno 1000 puta veća od njegove vrijednosti po lijepom vremenu. Kao rezultat toga, pozitivni naboj svake dlake na glavi osobe koja stoji ispod grmljavinskog oblaka povećava se za istu količinu, a oni, odgurujući se jedni od drugih, dižu se na glavi (slika 3).

Fulgurit - trag munje na tlu

Prilikom pražnjenja groma oslobađa se energija reda veličine 10 9 –10 10 J. Najveći dio te energije troši se na grmljavinu, zagrijavanje zraka, bljesak svjetlosti i emisiju drugih elektromagnetnih valova, a samo mali dio se oslobađa na mestu gde munja ulazi u zemlju. Ali čak i ovaj “mali” dio je dovoljan da izazove požar, ubije osobu ili uništi zgradu. Munja može zagrijati kanal kroz koji se kreće do 30.000°C, što je mnogo više od tačke topljenja pijeska (1600-2000°C). Zbog toga munja, udarajući u pijesak, topi ga, a vrući zrak i vodena para, šireći se, formiraju cijev od rastopljenog pijeska, koja nakon nekog vremena stvrdne. Tako nastaju fulguriti (gromovine, đavolji prsti) – šuplji cilindri od rastopljenog peska (sl. 4). Najduži iskopani fulguriti otišli su pod zemlju do dubine od više od pet metara.

Kako elektrostatika štiti od groma

Srećom, većina udara groma se događa između oblaka i stoga ne predstavljaju prijetnju ljudskom zdravlju. Međutim, vjeruje se da grom svake godine ubije više od hiljadu ljudi širom svijeta. Barem u Sjedinjenim Državama, gdje se vodi ovakva statistika, svake godine oko hiljadu ljudi pati od udara groma, a više od stotinu njih umre. Naučnici su dugo pokušavali da zaštite ljude od ove “božije kazne”. Na primjer, izumitelj prvog električnog kondenzatora (Leyden jar), Pieter van Muschenbrouck, u članku o elektricitetu napisanom za čuvenu Francusku enciklopediju, branio je tradicionalne metode sprječavanja munje - zvono i pucanje iz topova, za koje je vjerovao da su prilično efikasni.

Godine 1750. Franklin je izumio gromobran. U pokušaju da zaštiti zgradu glavnog grada Marylanda od udara groma, pričvrstio je debelu željeznu šipku na zgradu, koja se protezala nekoliko metara iznad kupole i spojila sa zemljom. Naučnik je odbio da patentira svoj izum, želeći da počne da služi ljudima što je pre moguće. Mehanizam djelovanja gromobrana je lako objasniti ako se sjetimo da se jačina električnog polja u blizini površine nabijenog vodiča povećava sa povećanjem zakrivljenosti ove površine. Stoga će pod grmljavinskim oblakom blizu vrha gromobrana, jačina polja biti tolika da će izazvati jonizaciju okolnog zraka i koronsko pražnjenje u njemu. Kao rezultat toga, vjerovatnoća da će grom udariti u gromobran značajno će se povećati. Tako je znanje o elektrostatici omogućilo ne samo da se objasni porijeklo munja, već i da se pronađe način zaštite od njih.

Vijest o Franklinovom gromobranu brzo se proširila Evropom, te je izabran u sve akademije, uključujući i rusku. Međutim, u nekim zemljama pobožno stanovništvo pozdravilo je ovaj izum sa ogorčenjem. Sama ideja da bi osoba mogla tako lako i jednostavno ukrotiti glavno oružje Božjeg gnjeva činila se bogohulom. Stoga su na različitim mjestima ljudi, iz pobožnih razloga, lomili gromobrane.

Zanimljiv incident dogodio se 1780. godine u malom gradu na sjeveru Francuske, gdje su građani zahtijevali da se gvozdeni gromobran sruši i stvar je došla na suđenje. Mladi advokat, koji je branio gromobran od napada mračnjaka, svoju odbranu zasnivao na činjenici da i ljudski um i njegova sposobnost da pobedi sile prirode imaju božanskog porekla. Sve što pomaže u spašavanju života je za dobro, tvrdi mladi advokat. Dobio je slučaj i stekao veliku slavu. Advokat se zvao... Maksimilijan Robespjer.

Pa, sada je portret izumitelja gromobrana najpoželjnija reprodukcija na svijetu, jer krasi dobro poznatu novčanicu od sto dolara.

Elektrostatika koja vraća život

Energija iz pražnjenja kondenzatora ne samo da je dovela do pojave života na Zemlji, već može i vratiti život ljudima čije su srčane ćelije prestale da kucaju sinhrono. Asinhrona (haotična) kontrakcija srčanih ćelija naziva se fibrilacija. Fibrilacija srca može se zaustaviti propuštanjem kratkog impulsa struje kroz sve njegove ćelije. Da bi se to postiglo, na prsa pacijenta se primjenjuju dvije elektrode kroz koje se propušta puls u trajanju od oko deset milisekundi i amplitudom do nekoliko desetina ampera. U ovom slučaju, energija pražnjenja kroz sanduk može doseći 400 J (što je jednako potencijalnoj energiji kilograma težine podignute na visinu od 2,5 m). Uređaj koji pruža električni udar koji zaustavlja fibrilaciju srca naziva se defibrilator. Najjednostavniji defibrilator je oscilirajući krug koji se sastoji od kondenzatora kapaciteta 20 μF i zavojnice s induktivnošću od 0,4 H. Punjenje kondenzatora na napon od 1-6 kV i pražnjenje kroz zavojnicu i pacijenta, čiji je otpor oko 50 oma, možete dobiti strujni impuls neophodan da se pacijent vrati u život.

Elektrostatika koja daje svjetlost

Fluorescentna lampa može poslužiti kao zgodan indikator jačine električnog polja. Da biste to potvrdili, dok ste u mračnoj prostoriji, protrljajte lampu ručnikom ili šalom - kao rezultat toga, vanjska površina stakla lampe će biti nabijena pozitivno, a tkanina - negativno. Čim se to dogodi, vidjet ćemo bljeskove svjetlosti koji se pojavljuju na onim mjestima lampe koja dodirnemo napunjenom krpom. Mjerenja su pokazala da je jačina električnog polja unutar radne fluorescentne lampe oko 10 V/m. Pri ovom intenzitetu slobodni elektroni imaju potrebnu energiju za jonizaciju atoma žive unutar fluorescentne lampe.

Električno polje ispod visokonaponskih dalekovoda - dalekovoda - može dostići vrlo visoke vrijednosti. Stoga, ako se noću fluorescentna lampa zabode u zemlju ispod dalekovoda, ona će upaliti, i to prilično jako (slika 5). Dakle, koristeći energiju elektrostatičkog polja, možete osvijetliti prostor ispod dalekovoda.

Kako elektrostatika upozorava na vatru i čini dim čistijim

U većini slučajeva, pri odabiru tipa detektora požarnog alarma, prednost se daje senzoru dima, jer požar obično prati ispuštanje velika količina dim i ovaj tip detektora je u stanju da upozori ljude u zgradi na opasnost. Detektori dima koriste ionizaciju ili fotoelektrični princip za detekciju dima u zraku.

Jonizacijski detektori dima sadrže izvor α-zračenja (obično americij-241) koji ionizira zrak između metalnih ploča elektroda, električni otpor između kojih se stalno mjeri pomoću posebnog kola. Joni nastali kao rezultat α-zračenja osiguravaju provodljivost između elektroda, a mikročestice dima koje se tamo pojavljuju vežu se za ione, neutraliziraju njihov naboj i tako povećavaju otpor između elektroda, na koji električni krug reagira zvučnim signalom. alarm. Senzori zasnovani na ovom principu pokazuju vrlo impresivnu osjetljivost, reagirajući čak i prije nego što živo biće otkrije prvi znak dima. Treba napomenuti da izvor zračenja koji se koristi u senzoru ne predstavlja nikakvu opasnost za ljude, jer alfa zraci ne mogu proći ni kroz list papira i potpuno ih apsorbira sloj zraka debljine nekoliko centimetara.

Sposobnost čestica prašine da se naelektriziraju široko se koristi u industrijskim elektrostatičkim sakupljačima prašine. Plin koji sadrži, na primjer, čestice čađi, dižući se prema gore, prolazi kroz negativno nabijenu metalnu mrežu, zbog čega te čestice dobivaju negativan naboj. Nastavljajući da se dižu prema gore, čestice se nađu u električnom polju pozitivno nabijenih ploča, na koje se privlače, nakon čega čestice padaju u posebne posude odakle se povremeno uklanjaju.

Bioelektrostatika

Jedan od uzroka astme su otpadni produkti grinja (slika 6) - insekata veličine oko 0,5 mm koji žive u našoj kući. Istraživanja su pokazala da napade astme uzrokuje jedan od proteina koje ovi insekti luče. Struktura ovog proteina podsjeća na potkovicu, čija su oba kraja pozitivno nabijena. Elektrostatičke sile odbijanja između krajeva takvog proteina u obliku potkovice čine njegovu strukturu stabilnom. Međutim, svojstva proteina mogu se promijeniti neutralizacijom njegovih pozitivnih naboja. To se može učiniti povećanjem koncentracije negativnih jona u zraku pomoću bilo kojeg ionizatora, na primjer Chizhevsky luster (slika 7). Istovremeno se smanjuje učestalost napada astme.

Elektrostatika pomaže ne samo u neutralizaciji proteina koje luče insekti, već i u njihovom hvatanju. Već je rečeno da se kosa “naježi” ako je nabijena. Možete zamisliti šta insekti doživljavaju kada se nađu naelektrisani. Najfinije dlake na njihovim šapama se razilaze različite strane, a insekti gube sposobnost kretanja. Na ovom principu zasniva se zamka za bubašvabe prikazana na slici 8. Žohare privlači slatki prah koji je prethodno elektrostatički naelektrisan. Puder (na slici je bijel) se koristi za pokrivanje kose površine oko trapa. Kada se nađu u prahu, insekti postaju nabijeni i kotrljaju se u zamku.

Šta su antistatici?

Odjeća, tepisi, prekrivači i sl. predmeti se pune nakon kontakta sa drugim predmetima, a ponekad i jednostavno mlazom zraka. U svakodnevnom životu i na poslu, naelektrisanja koja nastaju na ovaj način često se nazivaju statički elektricitet.

U normalnim atmosferskim uslovima, prirodna vlakna (pamuk, vuna, svila i viskoza) dobro upijaju vlagu (hidrofilna) i stoga blago provode električnu energiju. Kada se takva vlakna dodiruju ili trljaju o druge materijale, na njihovim površinama se pojavljuju suvišni električni naboji, ali za vrlo kratko vrijeme, jer se naboji odmah vraćaju kroz vlažna vlakna tkanine koja sadrži različite ione.

Za razliku od prirodnih vlakana, sintetička vlakna (poliester, akril, polipropilen) slabo upijaju vlagu (hidrofobna), a na njihovim površinama ima manje mobilnih jona. Kada sintetički materijali dođu u dodir jedni s drugima, nabijaju se suprotnim nabojima, ali pošto se ta naelektrisanja vrlo sporo odvode, materijali se lijepe jedan za drugi, stvarajući neugodnost i nelagodu. Inače, kosa je po strukturi vrlo bliska sintetičkim vlaknima, a i hidrofobna je, pa se u dodiru, na primjer, s češljem, naelektriše i počinje se međusobno odbijati.

Da biste se riješili statičkog elektriciteta, površina odjeće ili drugih predmeta može se podmazati supstancom koja zadržava vlagu i time povećava koncentraciju mobilnih iona na površini. Nakon takvog tretmana, nastali električni naboj brzo će nestati s površine predmeta ili će se rasporediti po njemu. Hidrofilnost površine može se povećati podmazivanjem površinski aktivnim tvarima, čije su molekule slične molekulama sapuna – jedan dio vrlo dugačke molekule je nabijen, a drugi nije. Supstance koje sprečavaju pojavu statičkog elektriciteta nazivaju se antistatičkim agensima. Na primjer, obična ugljena prašina ili čađa je antistatičko sredstvo, stoga, kako bi se riješili statičkog elektriciteta, takozvana crna lampa uključena je u impregnaciju tepiha i materijala za presvlake. U iste svrhe takvim materijalima se dodaje do 3% prirodnih vlakana, a ponekad i tankih metalnih niti.

Elektrostatika je grana fizike u kojoj su svojstva i interakcije stvari koje su nepokretne u odnosu na inercijski sistem brojeći električno nabijena tijela ili čestice koje imaju električni naboj.

Električno punjenje- Ovo fizička količina, koji karakterizira svojstvo tijela ili čestica da ulaze u elektromagnetske interakcije i određuje vrijednosti sila i energija tokom tih interakcija. IN Međunarodni sistem jedinice Jedinica električnog naboja je kulon (C).

Postoje dvije vrste električnih naboja:

  • pozitivno;
  • negativan.

Tijelo je električno neutralno ako je ukupni naboj negativno nabijenih čestica koje čine tijelo jednak ukupnom naboju pozitivno nabijenih čestica.

Stabilni nosioci električnih naboja su elementarne čestice i antičestice.

Nosioci pozitivnog naboja su proton i pozitron, a nosioci negativnog naboja su elektron i antiproton.

Ukupni električni naboj sistema jednak je algebarskom zbiru naelektrisanja tela uključenih u sistem, tj.:

Zakon održanja naboja: u zatvorenom, električno izolovanom sistemu, ukupni električni naboj ostaje nepromenjen, bez obzira na to koji se procesi odvijaju u sistemu.

Izolovani sistem je sistem u kojem spoljašnje okruženje Električno nabijene čestice ili bilo koja tijela ne prodiru kroz njegove granice.

Zakon održanja naboja- ovo je posljedica očuvanja broja čestica; dolazi do preraspodjele čestica u prostoru.

Dirigenti- to su tijela s električnim nabojem koja se mogu slobodno kretati na značajnim udaljenostima.
Primeri provodnika: metali u čvrstom i tekućem stanju, jonizovani gasovi, rastvori elektrolita.

Dielektrici- to su tijela sa naelektrisanjem koja se ne mogu kretati s jednog dijela tijela na drugi, odnosno vezani naboji.
Primjeri dielektrika: kvarc, ćilibar, ebonit, plinovi u normalnim uvjetima.

Elektrifikacija- ovo je proces usljed kojeg tijela stiču sposobnost da učestvuju u elektromagnetnoj interakciji, odnosno dobijaju električni naboj.

Elektrifikacija tijela- ovo je proces preraspodjele električnih naboja smještenih u tijelima, uslijed čega naboji tijela postaju suprotnih predznaka.

Vrste elektrifikacije:

  • Elektrifikacija zbog električne provodljivosti. Kada dva metalna tijela dođu u kontakt, jedno naelektrisano, a drugo neutralno, određeni broj slobodnih elektrona prelazi sa nabijenog tijela na neutralno ako je naelektrisanje tijela negativno, i obrnuto ako je naelektrisanje tijela pozitivno. .

    Kao rezultat toga, u prvom slučaju neutralno tijelo će dobiti negativan naboj, u drugom - pozitivan.

  • Elektrifikacija trenjem. Kao rezultat kontakta trenjem nekih neutralnih tijela, elektroni se prenose s jednog tijela na drugo. Naelektrisanje trenjem je uzrok statičkog elektriciteta čija se pražnjenja mogu primijetiti, na primjer, češljate kosu plastičnim češljem ili skinete sintetičku košulju ili džemper.
  • Elektrifikacija kroz uticaj nastaje ako se nabijeno tijelo dovede do kraja neutralne metalne šipke, a u njemu dolazi do kršenja ujednačene raspodjele pozitivnih i negativnih naboja. Njihova distribucija se događa na osebujan način: višak negativnog naboja pojavljuje se u jednom dijelu štapa, a pozitivan u drugom. Takvi naboji nazivaju se induciranim, čija se pojava objašnjava kretanjem slobodnih elektrona u metalu pod utjecajem električnog polja nabijenog tijela dovedenog do njega.

Point charge- ovo je naelektrisano telo čije se dimenzije pod datim uslovima mogu zanemariti.

Point charge- Ovo materijalna tačka, koji ima električni naboj.
Nabijena tijela međusobno djeluju na sljedeći način: suprotno nabijena tijela privlače, slično nabijena tijela se odbijaju.

Coulombov zakon: sila interakcije između dva stacionarna točkasta naboja q1 i q2 u vakuumu je direktno proporcionalna proizvodu veličina naboja i obrnuto proporcionalna kvadratu udaljenosti između njih:

Glavno svojstvo električnog polja- to je da električno polje utječe na električne naboje nekom silom. Električno polje je poseban slučaj electro magnetsko polje.

Elektrostatičko polje je električno polje stacionarnih naelektrisanja. Jačina električnog polja je vektorska veličina koja karakterizira električno polje u datoj tački. Jačina polja u datoj tački određena je omjerom sile koja djeluje na tačkasti naboj postavljen u datoj tački polja i veličinom ovog naboja:

Tenzija- ovo je karakteristika sile električnog polja; omogućava vam da izračunate silu koja djeluje na ovaj naboj: F = qE.

U Međunarodnom sistemu jedinica, mjerna jedinica za napon je volt po metru. Naponski vodovi su zamišljene linije potrebne za korištenje grafička slika električno polje. Zatezne linije se povlače tako da se tangente na njih u svakoj tački u prostoru poklapaju u pravcu sa vektorom jačine polja u datoj tački.

Princip superpozicije polja: jačina polja iz nekoliko izvora jednaka je vektorskom zbiru jačine polja svakog od njih.

Električni dipol- ovo je skup dva jednaka po modulu suprotnih tačkastih naboja (+q i –q), koji se nalaze na određenoj udaljenosti jedan od drugog.

Dipolni (električni) moment je vektorska fizička veličina koja je glavna karakteristika dipola.
U Međunarodnom sistemu jedinica, jedinica dipolnog momenta je kulonski metar (C/m).

Vrste dielektrika:

  • Polar, koji uključuju molekule u kojima se centri raspodjele pozitivnih i negativnih naboja ne poklapaju (električni dipoli).
  • Nepolarni, u molekulima i atomima čiji se centri raspodjele pozitivnih i negativnih naboja poklapaju.

Polarizacija je proces koji se događa kada se dielektrici stave u električno polje.

Polarizacija dielektrika je proces pomicanja pridruženih pozitivnih i negativnih naboja dielektrika u suprotnim smjerovima pod utjecajem vanjskog električnog polja.

Dielektrična konstanta je fizička veličina koja karakteriše električna svojstva dielektrika i određen je omjerom modula jakosti električnog polja u vakuumu i modula intenziteta ovog polja unutar homogenog dielektrika.

Dielektrična konstanta je bezdimenzionalna veličina i izražava se u bezdimenzionalnim jedinicama.

Feroelektrika- ovo je grupa kristalnih dielektrika koji nemaju vanjsko električno polje i umjesto toga dolazi do spontane orijentacije dipolnih momenata čestica.

Piezoelektrični efekat- ovo je efekat prilikom mehaničkih deformacija nekih kristala u određenim smjerovima, gdje se na njihovim licima pojavljuju električni naboji suprotne vrste.

Potencijal električnog polja. Električni kapacitet

Elektrostatički potencijal je fizička veličina koja karakteriše elektrostatičko polje u datoj tački, određena je relacijom potencijalna energija interakcija naboja sa poljem do vrijednosti naboja postavljenog u datoj tački polja:

Mjerna jedinica u Međunarodnom sistemu jedinica je volt (V).
Potencijal polja tačkastog naboja određen je:

Pod uslovima ako je q > 0, tada je k > 0; ako q

Princip superpozicije polja za potencijal: ako elektrostatičko polje stvara više izvora, tada se njegov potencijal u datoj tački u prostoru definira kao algebarski zbir potencijala:

Razlika potencijala između dvije tačke električnog polja je fizička veličina određena omjerom rada elektrostatičke sile pomicanjem pozitivnog naboja od početne do krajnje tačke do ovog naboja:

Ekvipotencijalne površine- ovo je geometrijsko područje tačaka elektrostatičkog polja gdje su vrijednosti potencijala iste.

Električni kapacitet je fizička veličina koja karakterizira električna svojstva provodnika, kvantitativna mjera njegove sposobnosti da zadrži električni naboj.

Električni kapacitet izolovanog vodiča određen je omjerom naboja provodnika i njegovog potencijala, a pretpostavićemo da je potencijal polja provodnika uzet jednak nuli u tački u beskonačnosti:

Ohmov zakon

Homogeni presjek lanca- ovo je dio kola koji nema izvor struje. Napon u takvoj sekciji će biti određen razlikom potencijala na njegovim krajevima, tj.:

Godine 1826. njemački naučnik G. Ohm otkrio je zakon koji određuje odnos između jačine struje u homogenom dijelu kola i napona na njemu: jačina struje u provodniku je direktno proporcionalna naponu na njemu. , gdje je G koeficijent proporcionalnosti, koji se u ovom zakonu naziva električna provodljivost ili provodljivost provodnika, a koja je određena formulom.

Provodljivost provodnika je fizička veličina koja je recipročna njegova otpora.

U Međunarodnom sistemu jedinica, jedinica za električnu provodljivost je Siemens (Cm).

Fizičko značenje Siemensa: 1 cm je vodljivost provodnika otpora od 1 oma.
Da bi se dobio Ohmov zakon za dio kola, potrebno je zamijeniti otpor R u gornju formulu umjesto električne provodljivosti, tada:

Ohmov zakon za dio kola: Jačina struje u dijelu kola je direktno proporcionalna naponu na njemu i obrnuto proporcionalna otporu dijela kola.

Ohmov zakon za kompletno kolo: jačina struje u nerazgranatom zatvorenom kolu, uključujući izvor struje, direktno je proporcionalna elektromotornoj sili ovog izvora i obrnuto proporcionalna zbiru vanjskih i unutrašnji otpor ovog lanca:

Potpišite pravila:

  • Ako pri zaobilaženju kruga u odabranom smjeru struja unutar izvora ide u smjeru zaobilaznice, tada se EMF ovog izvora smatra pozitivnim.
  • Ako pri zaobilaženju kruga u odabranom smjeru struja unutar izvora teče u suprotnom smjeru, tada se emf ovog izvora smatra negativnim.

Elektromotorna sila (EMF) je fizička veličina koja karakterizira djelovanje vanjskih sila u izvorima struje; to je energetska karakteristika izvora struje. Za zatvorenu petlju, EMF je definiran kao omjer rada koji obavljaju vanjske sile da pomaknu pozitivan naboj duž zatvorene petlje do ovog naboja:

U međunarodnom sistemu jedinica, jedinica za EMF je volt. Kada je strujni krug otvoren, emf izvora struje jednaka je električnom naponu na njegovim terminalima.

Joule-Lenzov zakon: količina topline koju stvara vodič kroz koji teče struja određena je umnoškom kvadrata struje, otpora vodiča i vremena prolaska struje kroz vodič:

Prilikom pomicanja električnog polja naboja duž dijela kola, ono radi, što je određeno umnoškom naboja i napona na krajevima ovog dijela kola:

Snaga jednosmerna struja je fizička veličina koja karakterizira brzinu rada polja za pomicanje nabijenih čestica duž provodnika i određena je omjerom rada struje tokom vremena i ovog vremenskog perioda:

Kirchhoffova pravila, koji se koriste za izračunavanje razgranatih jednosmjernih kola, čija je suština pronalaženje zadanog otpora dijelova kola i EMF-a koji se primjenjuje na njih, jačine struje u svakoj sekciji.

Prvo pravilo je pravilo čvora: algebarski zbir struja koje konvergiraju u čvoru je tačka u kojoj postoji više od dva moguća smjera struje, jednaka je nuli

Drugo pravilo je pravilo kontura: u bilo kojem zatvorenom kolu, u razgranatom električnom kolu, algebarski zbir proizvoda jačine struje i otpora odgovarajućih dijelova ovog kola određen je algebarskim zbirom emf primijenjenog u to:

Magnetno polje- ovo je jedan od oblika ispoljavanja elektromagnetnog polja, čija je specifičnost da ovo polje utiče samo na čestice koje se kreću i tela sa električnim nabojem, kao i na magnetizovana tela, bez obzira na stanje njihovog kretanja.

Vektor magnetne indukcije je vektorska veličina koja karakteriše magnetsko polje u bilo kojoj tački u prostoru, određujući omjer sile koja djeluje iz magnetskog polja na element provodnika sa električnom strujom i umnožaka jačine struje i dužine provodničkog elementa, jednak veličina prema omjeru magnetni fluks kroz presjek površine do površine ovog poprečnog presjeka.

U Međunarodnom sistemu jedinica, jedinica indukcije je tesla (T).

Magnetno kolo je skup tijela ili područja prostora u kojima je koncentrisano magnetsko polje.

Magnetski fluks (fluks magnetne indukcije) je fizička veličina koja je određena umnoškom veličine vektora magnetske indukcije na površinu ravne površine i kosinusom ugla između vektora normale i ravne površine / kutom između vektora normale i smjer vektora indukcije.

U Međunarodnom sistemu jedinica, jedinica magnetnog fluksa je weber (Wb).
Ostrogradsky-Gaussova teorema za fluks magnetne indukcije: magnetni tok kroz proizvoljnu zatvorenu površinu je nula:

Ohmov zakon za zatvoreno magnetsko kolo:

Magnetna permeabilnost je fizička veličina koja karakteriše magnetne karakteristike tvari, koja je određena omjerom modula vektora magnetske indukcije u mediju i modula vektora indukcije u istoj tački prostora u vakuumu:

Jačina magnetnog polja je vektorska veličina koja definira i karakterizira magnetsko polje i jednaka je:

Amperska snaga- ovo je sila koja djeluje iz magnetskog polja na provodnik kroz koji teče struja. Elementarna sila Ampera određena je relacijom:

Amperov zakon: modul sile koja djeluje na mali segment provodnika kroz koji teče struja, sa strane jednolikog magnetskog polja sa indukcijom koja stvara ugao sa elementom

Princip superpozicije: kada u datoj tački u prostoru različiti izvori formiraju magnetna polja, čije su indukcije B1, B2, .., tada je rezultirajuća indukcija polja u ovoj tački jednaka:

Pravilo gimleta ili pravilo desnog zavrtnja: ako se smjer translacijskog kretanja vrha gimleta pri uvrtanju poklapa sa smjerom struje u prostoru, tada smjer rotaciono kretanje Gimlet u svakoj tački poklapa se sa smjerom vektora magnetske indukcije.

Biot-Savart-Laplaceov zakon: određuje veličinu i smjer vektora magnetske indukcije u bilo kojoj točki magnetskog polja stvorenog u vakuumu elementom provodnika određene dužine sa strujom:

Kretanje nabijenih čestica u električnom i magnetskom polju Lorentzova sila je sila koja utječe na česticu koja se kreće iz magnetskog polja:

Pravilo lijeve ruke:

  1. Potrebno je postaviti lijevu ruku tako da linije magnetske indukcije ulaze u dlan, a ispružena četiri prsta poravnaju se sa strujom, tada će palac savijen za 90° pokazivati ​​smjer Amperove sile.
  2. Potrebno je postaviti lijevu ruku tako da linije magnetske indukcije ulaze u dlan, a četiri ispružena prsta poklapaju se sa smjerom brzine čestice s pozitivnim nabojem čestice ili su usmjerena u smjeru suprotnom brzini čestice. čestice sa negativnim nabojem čestice, tada će palac savijen za 90° pokazati smjer Lorentzove sile koja djeluje na nabijenu česticu.

Ako postoji zajedničko djelovanje na pokretni naboj električnog i magnetskog polja, tada će rezultirajuća sila biti određena:

Maseni spektrografi i maseni spektrometri- ovo su instrumenti koji su dizajnirani posebno za tačna mjerenja relativne atomske mase elementi.

Faradejev zakon. Lenzovo pravilo

Elektromagnetna indukcija- ovo je fenomen koji se sastoji u činjenici da se inducirana emf javlja u provodnom krugu koji se nalazi u naizmjeničnom magnetskom polju.

Faradejev zakon: EMF elektromagnetna indukcija u konturi je brojčano jednak i suprotan po predznaku brzini promjene magnetskog toka F kroz površinu ograničenu ovom konturom:

Indukcijska struja- to je struja koja nastaje ako se naboji počnu kretati pod utjecajem Lorentzovih sila.

Lenzovo pravilo: inducirana struja koja se pojavljuje u zatvorenom kolu uvijek ima takav smjer da magnetni tok koji stvara kroz područje ograničeno krugom teži da kompenzira promjenu vanjskog magnetskog polja koje je izazvalo ovu struju.

Postupak za korištenje Lenzovog pravila za određivanje smjera indukcijske struje:

Vrtložno polje- ovo je polje u kojem su zatezne linije zatvorene linije, čiji je uzrok stvaranje električnog polja od strane magnetskog polja.
Rad vrtložnog električnog polja pri kretanju jednog pozitivnog naboja duž zatvorenog nepokretnog vodiča numerički je jednak induciranoj emf u ovom vodiču.

Toki Fuko- to su velike indukcijske struje koje se pojavljuju u masivnim vodičima zbog činjenice da je njihov otpor mali. Količina topline koju u jedinici vremena oslobađaju vrtložne struje direktno je proporcionalna kvadratu frekvencije promjene magnetnog polja.

Samoindukcija. Induktivnost

Samoindukcija- ovo je fenomen koji se sastoji u činjenici da promjenjivo magnetsko polje inducira emf u samom vodiču kroz koji struja teče, formirajući ovo polje.

Određuje se magnetni tok F kola sa strujom I:
F = L, gdje je L koeficijent samoinduktivnosti (trenutna induktivnost).

Induktivnost je fizička veličina koja je karakteristika Samoindukovana emf, koji se pojavljuje u krugu kada se promijeni jačina struje, određen je omjerom magnetskog toka kroz površinu omeđenu vodičem i jačinom jednosmjerne struje u kolu:

U Međunarodnom sistemu jedinica, jedinica induktivnosti je henry (H).
EMF samoindukcije određuje se:

Energija magnetskog polja određena je:

Volumetrijska gustina energije magnetnog polja u izotropnom i neferomagnetnom mediju određena je:

Enciklopedijski YouTube

  • 1 / 5

    Temelje elektrostatike postavio je Coulombov rad (iako je deset godina prije njega iste rezultate, čak i sa još većom preciznošću, dobio Cavendish. Rezultati Cavendishovog rada pohranjeni su u porodična arhiva a objavljeni su tek stotinu godina kasnije); poslednji pronađeni zakon električne interakcije omogućio je Greenu, Gausu i Poissonu da stvore matematički elegantnu teoriju. Najvažniji dio elektrostatike je teorija potencijala koju su stvorili Green i Gauss. Mnogo eksperimentalnih istraživanja o elektrostatici sproveo je Rees, čije su knjige u prošlosti predstavljale glavni vodič za proučavanje ovih fenomena.

    Dielektrična konstanta

    Pronalaženje vrijednosti dielektričnog koeficijenta K za bilo koju supstancu, koeficijenta uključenog u gotovo sve formule s kojima se treba baviti u elektrostatici, može se obaviti na vrlo različite načine. Najčešće korištene metode su sljedeće.

    1) Poređenje električnih kapacitivnosti dva kondenzatora iste veličine i oblika, ali u jednom od kojih je izolacijski sloj sloj zraka, u drugom - sloj dielektrika koji se ispituje.

    2) Poređenje privlačenja između površina kondenzatora, kada se ovim površinama daje određena razlika potencijala, ali u jednom slučaju između njih postoji zrak (privlačna sila = F 0), u drugom slučaju ispitni izolator tekućine ( privlačna sila = F). Dielektrični koeficijent se nalazi po formuli:

    K = F 0 F . (\displaystyle K=(\frac (F_(0))(F)).)

    3) Posmatranja električnih talasa (vidi Električne oscilacije) koji se šire duž žica. Prema Maxwellovoj teoriji, brzina širenja električnih valova duž žica izražava se formulom

    V = 1 K μ . (\displaystyle V=(\frac (1)(\sqrt (K\mu ))).)

    u kojem K označava dielektrični koeficijent medija koji okružuje žicu, μ označava magnetnu permeabilnost ovog medija. Možemo staviti μ = 1 za ogromnu većinu tijela, i stoga ispada

    V = 1 K. (\displaystyle V=(\frac (1)(\sqrt (K))).)

    Obično se uspoređuju dužine stajaćih električnih valova koji nastaju u dijelovima iste žice koja se nalazi u zraku i u ispitnom dielektriku (tečnosti). Odredivši ove dužine λ 0 i λ, dobijamo K = λ 0 2 / λ 2. Prema Maxwellovoj teoriji, slijedi da kada je električno polje pobuđeno u bilo kojoj izolacijskoj tvari, unutar te tvari dolazi do posebnih deformacija. Duž indukcijskih cijevi, izolacijski medij je polariziran. U njemu nastaju električni pomaci, koji se mogu uporediti sa kretanjima pozitivnog elektriciteta u pravcu osi ovih cevi, a kroz svaki poprečni presek cevi prolazi količina električne energije jednaka

    D = 1 4 π K F . (\displaystyle D=(\frac (1)(4\pi))KF.)

    Maxwellova teorija omogućava pronalaženje izraza za njih unutrašnje sile(sile napetosti i pritiska), koje se javljaju u dielektricima kada se u njima pobuđuje električno polje. Ovo pitanje je prvo razmatrao sam Maxwell, a kasnije detaljnije Helmholtz. Daljnji razvoj teorije ovog pitanja i usko povezane teorije elektrostrikcije (odnosno teorije koja razmatra pojave koje zavise od pojave posebnih napona u dielektricima kada je u njima pobuđeno električno polje) pripada radovima Lorberga, Kirchhoff, P. Duhem, N. N. Schiller i neki drugi

    Granični uslovi

    Hajde da završimo sažetak Najznačajniji dio odjela elektrostrikcije je razmatranje pitanja prelamanja indukcijskih cijevi. Zamislimo dva dielektrika u električnom polju, odvojena jedan od drugog nekom površinom S, sa dielektričnim koeficijentima K 1 i K 2.

    Neka su u tačkama P 1 i P 2 koje se nalaze beskonačno blizu površine S sa obe njene strane, veličine potencijala izražene su kroz V 1 i V 2 , a veličine sila koje doživljava jedinica pozitivnog elektriciteta postavljena na ove tačke kroz F 1 i F 2. Tada za tačku P koja leži na samoj površini S, mora postojati V 1 = V 2,

    d V 1 d s = d V 2 d s , (30) (\displaystyle (\frac (dV_(1))(ds))=(\frac (dV_(2))(ds)),\qquad (30))

    ako ds predstavlja beskonačno mali pomak duž linije presjeka tangentne ravnine na površinu S u tački P sa ravninom koja prolazi kroz normalu na površinu u ovoj tački i kroz smjer električne sile u njoj. S druge strane, trebalo bi da bude

    K 1 d V 1 d n 1 + K 2 d V 2 d n 2 = 0. (31) (\displaystyle K_(1)(\frac (dV_(1))(dn_(1)))+K_(2)( \frac (dV_(2))(dn_(2)))=0.\qquad (31))

    Označimo sa ε 2 ugao koji stvara sila F2 sa normalom n2 (unutar drugog dielektrika), a sa ε 1 ugao koji stvara sila F 1 sa istom normalom n 2 Zatim, koristeći formule (31) i (30), nalazimo

    t g ε 1 t g ε 2 = K 1 K 2 . (\displaystyle (\frac (\mathrm (tg) (\varepsilon _(1)))(\mathrm (tg) (\varepsilon _(2))))=(\frac (K_(1))(K_( 2))).)

    Dakle, na površini koja razdvaja dva dielektrika jedan od drugog, električna sila prolazi kroz promjenu smjera, poput zraka svjetlosti koji ulazi iz jednog medija u drugi. Ova posljedica teorije je opravdana iskustvom.