Elektrostatika , cabang teori kelistrikan yang mempelajari interaksi muatan listrik stasioner. Elektrostatika, yang mempelajari interaksi gaya stasioner antara benda bermuatan stasioner makroskopik, didasarkan pada tiga fakta yang ditetapkan secara eksperimental: adanya dua jenis muatan listrik, adanya interaksi antara keduanya yang dilakukan oleh medan listrik, dan prinsip superposisi, ketika interaksi dua muatan tidak bergantung pada kehadiran muatan lain.

Ada dua jenis muatan, yaitu positif yang diberi tanda plus “+” dan negatif yang diberi tanda minus “-”. Muatan menciptakan medan listrik di sekelilingnya. Medan muatan stasioner merupakan medan elektrostatis. Muatan listrik dan medan listrik adalah konsep utama elektrostatika.

Muatan total suatu benda, baik positif maupun negatif, selalu merupakan kelipatan muatan listrik dasar. Dalam elektrostatika, besaran fisika yang dirata-ratakan dalam ruang dan waktu dipelajari. Saat melakukan rata-rata di ruang angkasa, metode fisika kontinum yang biasa digunakan; rata-rata seiring waktu memungkinkan muatan dalam gerakan termal dianggap stasioner. Muatan positif dan negatif adalah komponen molekul, dan semua benda makroskopik mengandung sejumlah besar muatan positif dan negatif, tetapi interaksi elektrostatis hanya dibicarakan jika benda tersebut memiliki kelebihan muatan dengan tanda yang sama. Muatan suatu benda makroskopis ditentukan oleh muatan total partikel-partikel elementer yang menyusun benda tersebut. Rata-rata memungkinkan seseorang untuk mempertimbangkan tidak hanya muatan individu, tetapi juga untuk memperkenalkan gagasan tentang kepadatan muatan volumetrik. Hukum kekekalan muatan menyatakan bahwa muatan kekal dalam sistem tertutup.

Ukuran Medan listrik, yang melakukan interaksi muatan, pada titik mana pun terdapat tegangan . Medan listrik digambarkan dengan menggunakan garis – garis gaya yang garis singgungnya berimpit dengan arah kuat medan. Kuat medan pada suatu titik sebanding dengan besarnya muatan pembentuk, oleh karena itu, pada prinsipnya, dimungkinkan untuk menetapkan sejumlah garis medan tertentu pada muatan dasar.

Muatan listrik yang bertanda sama akan saling tolak menolak, sedangkan muatan listrik yang bertanda berlawanan akan tarik menarik. Prinsip pengoperasian elektrometer didasarkan pada fenomena ini. Pendaftaran interaksi muatan selalu dilakukan pada jarak yang jauh lebih besar daripada jarak antar atom. Di antara muatan listrik yang besarnya dapat diabaikan, terdapat gaya yang bekerja, yang besarnya ditentukan oleh hukum Coulomb. Hukum Coulomb, hukum dasar elektrostatika, menentukan gaya interaksi antara muatan titik stasioner bergantung pada ukurannya dan jarak di antara keduanya.

Dari hukum Coulomb dapat disimpulkan bahwa kerja gaya-gaya listrik ketika memindahkan suatu muatan tidak bergantung pada jalur yang dilalui muatan tersebut dari satu titik ke titik lain, tetapi hanya ditentukan oleh posisi titik-titik tersebut dalam ruang. Jika salah satu titik diambil hingga tak terhingga, maka pada setiap titik kita dapat mengasosiasikan potensial listrik, yang mencirikan usaha yang perlu dilakukan untuk mentransfer muatan satuan dari tak terhingga ke titik ini. Jika dalam medan listrik kita menghubungkan semua titik dengan potensi yang sama, maka kita mendapatkan permukaan yang potensialnya sama, atau permukaan yang ekuipotensial.

Prinsip superposisi medan listrik merupakan salah satu prinsip dasar elektrostatika, dan merupakan generalisasi dari banyak pengamatan. Sesuai dengan prinsip superposisi, intensitas listrik E bidang beberapa muatan titik stasioner q1, q2, q3...setara jumlah vektor kekuatan medan yang akan dihasilkan oleh masing-masing muatan ini jika muatan lainnya tidak ada. Artinya, keberadaan muatan lain tidak mempengaruhi medan yang ditimbulkan oleh muatan tertentu.

Hukum interaksi muatan listrik dapat dirumuskan sebagai teorema Gauss, yang dapat dianggap sebagai konsekuensi dari hukum Coulomb dan prinsip superposisi. Masalah umum elektrostatika adalah mencari distribusi muatan pada permukaan konduktor berdasarkan total muatan atau potensial masing-masing konduktor yang diketahui, serta menghitung energi suatu sistem konduktor dari muatan dan potensialnya. Elektrostatika juga mempelajari perilaku berbagai bahan - konduktor dan dielektrik - dalam medan listrik.

... Semua prediksi elektrostatika mengikuti dua hukumnya.
Namun mengungkapkan hal-hal ini secara matematis adalah satu hal, dan hal lain lagi
terapkan dengan mudah dan dengan jumlah kecerdasan yang tepat.
Richard Feynman

Elektrostatika mempelajari interaksi muatan stasioner. Eksperimen penting dalam elektrostatika dilakukan pada abad ke-17 dan ke-18. Selamat membuka fenomena elektromagnetik dan revolusi teknologi yang mereka hasilkan, minat terhadap elektrostatika hilang untuk beberapa waktu. Namun modern Penelitian ilmiah menunjukkan betapa pentingnya elektrostatika untuk memahami banyak proses di alam hidup dan mati.

Elektrostatika dan kehidupan

Pada tahun 1953, ilmuwan Amerika S. Miller dan G. Urey menunjukkan bahwa salah satu "bahan penyusun kehidupan" - asam amino - dapat diperoleh dengan melewatkan pelepasan listrik melalui gas yang komposisinya mirip dengan atmosfer primitif bumi, yang terdiri dari metana, amonia, hidrogen dan uap air. Selama 50 tahun berikutnya, peneliti lain mengulangi percobaan ini dan memperoleh hasil yang sama. Ketika pulsa arus pendek dilewatkan melalui bakteri, pori-pori muncul di cangkangnya (membran), yang melaluinya fragmen DNA bakteri lain dapat masuk, sehingga memicu salah satu mekanisme evolusi. Jadi, energi yang diperlukan untuk asal mula kehidupan di Bumi dan evolusinya memang bisa berupa energi elektrostatis dari pelepasan petir (Gbr. 1).

Bagaimana elektrostatika menyebabkan petir

Pada waktu tertentu, sekitar 2.000 kilat menyambar di berbagai titik di bumi, sekitar 50 petir menyambar bumi setiap detiknya, dan setiap kilometer persegi permukaan bumi disambar petir rata-rata enam kali dalam setahun. Pada abad ke-18, Benjamin Franklin membuktikan bahwa petir yang menyambar dari awan petir adalah muatan listrik yang dibawanya negatif mengenakan biaya. Selain itu, setiap pelepasan memasok bumi dengan beberapa puluh coulomb listrik, dan amplitudo arus selama sambaran petir berkisar antara 20 hingga 100 kiloampere. Fotografi berkecepatan tinggi menunjukkan bahwa sambaran petir hanya berlangsung sepersepuluh detik dan setiap kilat terdiri dari beberapa sambaran petir yang lebih pendek.

Dengan menggunakan alat ukur yang dipasang pada wahana atmosfer, pada awal abad ke-20, medan listrik bumi diukur, yang kekuatannya di permukaan kira-kira 100 V/m, yang setara dengan muatan total planet sebesar sekitar 400.000C. Pembawa muatan di atmosfer bumi adalah ion, yang konsentrasinya meningkat seiring ketinggian dan mencapai maksimum pada ketinggian 50 km, di mana lapisan penghantar listrik - ionosfer - telah terbentuk di bawah pengaruh radiasi kosmik. Oleh karena itu, kita dapat mengatakan bahwa medan listrik bumi adalah medan kapasitor berbentuk bola dengan tegangan yang diberikan sekitar 400 kV. Di bawah pengaruh tegangan ini, arus sebesar 2–4 kA mengalir sepanjang waktu dari lapisan atas ke lapisan bawah, yang kepadatannya adalah (1–2) 10 –12 A/m 2, dan energi dilepaskan ke atas. menjadi 1,5 GW. Dan jika tidak ada petir, medan listrik ini akan hilang! Ternyata saat cuaca bagus, kapasitor listrik bumi akan habis, dan saat terjadi badai petir, kapasitor tersebut akan terisi dayanya.

Awan petir adalah sejumlah besar uap, beberapa di antaranya telah mengembun menjadi tetesan kecil atau gumpalan es yang terapung. Bagian atas awan petir dapat berada pada ketinggian 6–7 km, dan bagian bawahnya dapat menggantung di atas permukaan tanah pada ketinggian 0,5–1 km. Di atas 3–4 km, awan terdiri dari gumpalan es yang terapung dengan berbagai ukuran, karena suhu di sana selalu di bawah nol. Potongan-potongan es ini terus bergerak, disebabkan oleh naiknya arus udara hangat yang naik dari bawah permukaan bumi yang panas. Potongan-potongan es kecil lebih ringan daripada potongan-potongan besar, dan mereka terbawa oleh arus udara yang naik dan bertabrakan dengan potongan-potongan besar di sepanjang jalan. Dengan setiap tumbukan seperti itu, terjadi elektrifikasi, di mana bongkahan es besar bermuatan negatif, dan bongkahan es kecil bermuatan positif. Seiring waktu, bongkahan es kecil bermuatan positif berkumpul terutama di bagian atas awan, dan bongkahan es besar bermuatan negatif berkumpul di bagian bawah (Gbr. 2). Dengan kata lain, bagian atas awan bermuatan positif dan bagian bawah bermuatan negatif. Dalam hal ini, muatan positif diinduksikan ke tanah tepat di bawah awan petir. Sekarang semuanya siap untuk pelepasan petir, di mana terjadi kerusakan udara dan muatan negatif dari dasar awan petir mengalir ke Bumi.

Biasanya sebelum terjadinya badai petir, kekuatan medan listrik bumi dapat mencapai 100 kV/m, yaitu 1000 kali lebih tinggi daripada nilainya pada cuaca baik. Akibatnya, muatan positif setiap rambut di kepala seseorang yang berdiri di bawah awan petir meningkat dengan jumlah yang sama, dan mereka, saling menjauh, berdiri tegak (Gbr. 3).

Fulgurite - jejak petir di tanah

Selama pelepasan petir, energi sekitar 10 9 –10 10 J dilepaskan. Sebagian besar energi ini dihabiskan untuk guntur, pemanasan udara, kilatan cahaya, dan radiasi lainnya gelombang elektromagnetik, dan hanya sebagian kecil yang dilepaskan di tempat petir masuk ke dalam tanah. Namun bagian “kecil” ini pun sudah cukup untuk menyebabkan kebakaran, membunuh seseorang, atau menghancurkan sebuah bangunan. Petir dapat memanaskan saluran yang dilaluinya hingga 30.000°C, yang jauh lebih tinggi daripada titik leleh pasir (1600–2000°C). Oleh karena itu, petir, menyambar pasir, melelehkannya, dan udara panas serta uap air, mengembang, membentuk tabung dari pasir cair, yang setelah beberapa waktu mengeras. Beginilah asal mula fulgurites (panah petir, jari iblis) - silinder berongga yang terbuat dari pasir leleh (Gbr. 4). Fulgurit yang paling lama digali berada di bawah tanah hingga kedalaman lebih dari lima meter.

Bagaimana elektrostatika melindungi dari petir

Untungnya, sebagian besar sambaran petir terjadi di antara awan sehingga tidak menimbulkan ancaman bagi kesehatan manusia. Namun, petir diyakini membunuh lebih dari seribu orang di seluruh dunia setiap tahunnya. Setidaknya di Amerika Serikat, tempat statistik tersebut disimpan, sekitar seribu orang menderita sambaran petir setiap tahun dan lebih dari seratus di antaranya meninggal. Para ilmuwan telah lama berupaya melindungi manusia dari “hukuman Tuhan” ini. Misalnya, penemu kapasitor listrik pertama (Leyden jar), Pieter van Muschenbrouck, dalam sebuah artikel tentang listrik yang ditulis untuk French Encyclopedia yang terkenal, membela metode tradisional untuk mencegah petir - bel berbunyi dan menembakkan meriam, yang menurutnya cukup efektif.

Pada tahun 1750, Franklin menemukan penangkal petir. Dalam upaya untuk melindungi gedung DPR Maryland dari sambaran petir, dia memasang batang besi tebal ke gedung tersebut, memanjang beberapa meter di atas kubah dan terhubung ke tanah. Ilmuwan tersebut menolak untuk mematenkan penemuannya, ingin agar penemuannya dapat mulai melayani masyarakat sesegera mungkin. Mekanisme kerja penangkal petir mudah dijelaskan jika kita mengingat bahwa kuat medan listrik di dekat permukaan konduktor bermuatan meningkat seiring dengan meningkatnya kelengkungan permukaan tersebut. Oleh karena itu, di bawah awan petir dekat ujung penangkal petir, kuat medannya akan sangat tinggi sehingga menyebabkan ionisasi pada udara di sekitarnya dan pelepasan corona dalam dirinya. Akibatnya, kemungkinan terjadinya sambaran petir terhadap penangkal petir akan meningkat secara signifikan. Dengan demikian, pengetahuan tentang elektrostatika tidak hanya memungkinkan untuk menjelaskan asal mula petir, tetapi juga menemukan cara untuk melindunginya.

Berita tentang penangkal petir Franklin dengan cepat menyebar ke seluruh Eropa, dan dia terpilih menjadi anggota semua akademi, termasuk akademi Rusia. Namun, di beberapa negara, penduduk yang taat menyambut penemuan ini dengan marah. Gagasan bahwa seseorang dapat dengan mudah dan sederhana menjinakkan senjata utama murka Tuhan tampaknya merupakan penghujatan. Oleh karena itu, di berbagai tempat orang, karena alasan saleh, mematahkan penangkal petir.

Sebuah kejadian aneh terjadi pada tahun 1780 di sebuah kota kecil di Perancis utara, di mana penduduk kota menuntut agar tiang besi penangkal petir dibongkar dan masalah tersebut dibawa ke pengadilan. Pengacara muda, yang membela penangkal petir dari serangan kaum obskurantis, mendasarkan pembelaannya pada fakta bahwa pikiran manusia dan kemampuannya untuk menaklukkan kekuatan alam memiliki pengaruh yang besar. asal ilahi. Segala sesuatu yang membantu menyelamatkan nyawa adalah demi kebaikan, bantah pengacara muda itu. Dia memenangkan kasus ini dan mendapatkan ketenaran yang luar biasa. Nama pengacaranya adalah... Maximilian Robespierre.

Nah, kini potret penemu penangkal petir tersebut menjadi reproduksi yang paling diminati di dunia, karena menghiasi uang kertas seratus dolar yang terkenal itu.

Elektrostatika yang menghidupkan kembali

Energi dari pelepasan kapasitor tidak hanya menyebabkan munculnya kehidupan di Bumi, tetapi juga dapat memulihkan kehidupan bagi orang-orang yang sel jantungnya berhenti berdetak secara serempak. Kontraksi sel jantung yang tidak sinkron (kacau) disebut fibrilasi. Fibrilasi jantung dapat dihentikan dengan melewatkan arus pendek melalui seluruh selnya. Untuk melakukan ini, dua elektroda dipasang ke dada pasien, yang melaluinya pulsa dilewatkan dengan durasi sekitar sepuluh milidetik dan amplitudo hingga beberapa puluh ampere. Dalam hal ini, pelepasan energi melalui dada dapat mencapai 400 J (sama dengan energi potensial satu pon beban yang diangkat ke ketinggian 2,5 m). Alat yang memberikan sengatan listrik untuk menghentikan fibrilasi jantung disebut defibrilator. Defibrillator paling sederhana adalah rangkaian osilasi yang terdiri dari kapasitor dengan kapasitas 20 μF dan kumparan dengan induktansi 0,4 H. Dengan mengisi kapasitor ke tegangan 1–6 kV dan mengalirkannya melalui kumparan dan pasien, yang resistansinya sekitar 50 ohm, Anda dapat memperoleh pulsa arus yang diperlukan untuk menghidupkan kembali pasien.

Elektrostatik memberi cahaya

Lampu neon dapat berfungsi sebagai indikator kuat medan listrik. Untuk memastikannya, saat berada di ruangan gelap, gosok lampu dengan handuk atau syal - akibatnya, permukaan luar kaca lampu akan bermuatan positif, dan kain akan bermuatan negatif. Segera setelah ini terjadi, kita akan melihat kilatan cahaya muncul di tempat-tempat lampu yang kita sentuh dengan kain bermuatan. Pengukuran menunjukkan bahwa kuat medan listrik di dalam lampu neon yang berfungsi adalah sekitar 10 V/m. Pada intensitas ini, elektron bebas memilikinya energi yang diperlukan untuk ionisasi atom merkuri di dalam lampu neon.

Medan listrik di bawah saluran listrik tegangan tinggi – saluran listrik – dapat mencapai nilai yang sangat tinggi. Oleh karena itu, jika pada malam hari lampu neon ditancapkan ke tanah di bawah kabel listrik, maka akan menyala cukup terang (Gbr. 5). Jadi dengan bantuan energi medan elektrostatis Anda dapat menerangi ruang di bawah kabel listrik.

Bagaimana elektrostatika memperingatkan kebakaran dan membuat asap lebih bersih

Dalam kebanyakan kasus, ketika memilih jenis detektor alarm kebakaran, preferensi diberikan pada sensor asap, karena kebakaran biasanya disertai dengan keluarnya asap. jumlah besar asap dan detektor jenis ini mampu memperingatkan orang-orang di dalam gedung tentang bahayanya. Detektor asap menggunakan prinsip ionisasi atau fotolistrik untuk mendeteksi asap di udara.

Detektor asap ionisasi mengandung sumber radiasi α (biasanya americium-241) yang mengionisasi udara di antara pelat elektroda logam, hambatan listrik antara yang diukur secara konstan menggunakan sirkuit khusus. Ion-ion yang terbentuk sebagai hasil radiasi α memberikan konduktivitas antar elektroda, dan mikropartikel asap yang muncul di sana mengikat ion-ion tersebut, menetralkan muatannya dan dengan demikian meningkatkan resistansi antar elektroda, yang mana rangkaian listrik bereaksi dengan membunyikan alarm. . Sensor berdasarkan prinsip ini menunjukkan sensitivitas yang sangat mengesankan, bereaksi bahkan sebelum tanda pertama adanya asap terdeteksi oleh makhluk hidup. Perlu diperhatikan bahwa sumber radiasi yang digunakan dalam sensor tidak menimbulkan bahaya apa pun bagi manusia, karena sinar alfa tidak dapat menembus selembar kertas sekalipun dan diserap seluruhnya oleh lapisan udara setebal beberapa sentimeter.

Kemampuan partikel debu untuk menggemparkan banyak digunakan dalam pengumpul debu elektrostatis industri. Gas yang mengandung, misalnya, partikel jelaga, naik ke atas, melewati jaring logam bermuatan negatif, akibatnya partikel-partikel ini memperoleh muatan negatif. Terus naik ke atas, partikel-partikel tersebut menemukan diri mereka dalam medan listrik pelat bermuatan positif, tempat mereka tertarik, setelah itu partikel-partikel tersebut jatuh ke dalam wadah khusus, dari mana mereka dikeluarkan secara berkala.

Bioelektrostatika

Salah satu penyebab asma adalah produk limbah tungau debu (Gbr. 6) - serangga berukuran sekitar 0,5 mm yang hidup di rumah kita. Penelitian telah menunjukkan bahwa serangan asma disebabkan oleh salah satu protein yang dikeluarkan serangga ini. Struktur protein ini menyerupai tapal kuda, yang kedua ujungnya bermuatan positif. Gaya tolak elektrostatik antara ujung-ujung protein berbentuk tapal kuda membuat strukturnya stabil. Namun, sifat suatu protein dapat diubah dengan menetralkan muatan positifnya. Hal ini dapat dilakukan dengan meningkatkan konsentrasi ion negatif di udara menggunakan alat ionisasi apa pun, misalnya lampu gantung Chizhevsky (Gbr. 7). Pada saat yang sama, frekuensi serangan asma menurun.

Elektrostatika membantu tidak hanya menetralkan protein yang dikeluarkan oleh serangga, tetapi juga menangkapnya sendiri. Telah dikatakan bahwa rambut “berdiri tegak” jika diisi. Anda dapat membayangkan apa yang dialami serangga ketika mereka mendapati dirinya bermuatan listrik. Bulu-bulu terbaik di kaki mereka menyimpang sisi yang berbeda, dan serangga kehilangan kemampuan untuk bergerak. Perangkap kecoa yang ditunjukkan pada Gambar 8 didasarkan pada prinsip ini. Kecoa tertarik pada bubuk manis yang sebelumnya bermuatan listrik statis. Bedak (berwarna putih pada gambar) digunakan untuk menutupi permukaan miring di sekitar jebakan. Begitu sampai di bedak, serangga menjadi bermuatan dan berguling ke dalam perangkap.

Apa itu agen antistatis?

Pakaian, karpet, seprai, dll. Benda bermuatan listrik setelah bersentuhan dengan benda lain, dan terkadang hanya dengan pancaran udara. Dalam kehidupan sehari-hari dan di tempat kerja, muatan yang dihasilkan dengan cara ini sering disebut listrik statis.

Dalam kondisi atmosfer normal, serat alami (kapas, wol, sutra, dan viscose) menyerap kelembapan dengan baik (hidrofilik) sehingga sedikit menghantarkan listrik. Ketika serat tersebut bersentuhan atau bergesekan dengan bahan lain, muatan listrik berlebih muncul di permukaannya, namun dalam waktu yang sangat singkat, karena muatan tersebut segera mengalir kembali melalui serat basah pada kain yang mengandung berbagai ion.

Berbeda dengan serat alami, serat sintetis (poliester, akrilik, polipropilen) tidak menyerap kelembapan dengan baik (hidrofobik), dan ion bergerak pada permukaannya lebih sedikit. Ketika bahan sintetis bersentuhan satu sama lain, bahan tersebut akan bermuatan berlawanan, tetapi karena muatan ini terkuras sangat lambat, bahan tersebut akan menempel satu sama lain, sehingga menimbulkan ketidaknyamanan dan ketidaknyamanan. Ngomong-ngomong, struktur rambut sangat mirip dengan serat sintetis dan juga bersifat hidrofobik, sehingga ketika bersentuhan, misalnya dengan sisir, rambut akan bermuatan listrik dan mulai saling tolak-menolak.

Untuk menghilangkan listrik statis, permukaan pakaian atau benda lain dapat dilumasi dengan bahan yang dapat mempertahankan kelembapan sehingga meningkatkan konsentrasi ion bergerak di permukaan. Setelah pengolahan tersebut, hasilnya muatan listrik akan cepat hilang dari permukaan benda atau tersebar di atasnya. Hidrofilisitas suatu permukaan dapat ditingkatkan dengan melumasinya dengan surfaktan, yang molekulnya mirip dengan molekul sabun - satu bagian dari molekul yang sangat panjang bermuatan, dan bagian lainnya tidak. Zat yang mencegah munculnya listrik statis disebut zat antistatis. Misalnya, debu atau jelaga batu bara biasa merupakan zat antistatis, oleh karena itu, untuk menghilangkan listrik statis, bahan yang disebut lampu hitam dimasukkan dalam impregnasi bahan karpet dan pelapis. Untuk tujuan yang sama, hingga 3% serat alami dan terkadang benang logam tipis ditambahkan ke bahan tersebut.

Elektrostatika adalah cabang ilmu fisika yang membahas tentang sifat-sifat dan interaksi benda-benda yang tidak bergerak sistem inersia menghitung benda bermuatan listrik atau partikel yang bermuatan listrik.

Muatan listrik- Ini kuantitas fisik, yang mencirikan sifat benda atau partikel untuk memasuki interaksi elektromagnetik dan menentukan nilai gaya dan energi selama interaksi tersebut. DI DALAM Sistem internasional satuan Satuan muatan listrik adalah coulomb (C).

Ada dua jenis muatan listrik:

  • positif;
  • negatif.

Suatu benda dikatakan netral secara listrik jika muatan total partikel bermuatan negatif yang menyusun benda tersebut sama dengan muatan total partikel bermuatan positif.

Pembawa muatan listrik yang stabil adalah partikel elementer dan antipartikel.

Pembawa muatan positif adalah proton dan positron, dan pembawa muatan negatif adalah elektron dan antiproton.

Muatan listrik total suatu sistem sama dengan jumlah aljabar muatan-muatan benda yang termasuk dalam sistem, yaitu:

Hukum kekekalan muatan: dalam sistem tertutup dan terisolasi secara listrik, muatan listrik total tetap tidak berubah, apa pun proses yang terjadi di dalam sistem.

Sistem terisolasi adalah sebuah sistem di mana lingkungan luar Partikel bermuatan listrik atau benda apa pun tidak menembus batasnya.

Hukum kekekalan muatan- ini adalah konsekuensi dari kekekalan jumlah partikel yang terjadi di ruang angkasa.

Konduktor- ini adalah benda dengan muatan listrik yang dapat bergerak bebas dalam jarak yang cukup jauh.
Contoh konduktor: logam dalam wujud padat dan cair, gas terionisasi, larutan elektrolit.

Dielektrik- ini adalah benda dengan muatan yang tidak dapat berpindah dari satu bagian benda ke bagian benda lainnya, yaitu muatan terikat.
Contoh dielektrik: kuarsa, amber, ebonit, gas dalam kondisi normal.

Elektrifikasi- ini adalah proses di mana benda memperoleh kemampuan untuk mengambil bagian dalam interaksi elektromagnetik, yaitu memperoleh muatan listrik.

Elektrifikasi tubuh- ini adalah proses redistribusi muatan listrik yang terletak di dalam benda, akibatnya muatan benda tersebut menjadi berlawanan tanda.

Jenis elektrifikasi:

  • Elektrifikasi karena konduktivitas listrik. Ketika dua benda logam bersentuhan, yang satu bermuatan dan yang lainnya netral, sejumlah elektron bebas berpindah dari benda bermuatan ke benda netral jika muatan benda tersebut negatif, dan sebaliknya jika muatan benda tersebut positif. .

    Akibatnya, dalam kasus pertama, benda netral akan menerima muatan negatif, dalam kasus kedua - muatan positif.

  • Elektrifikasi karena gesekan. Akibat kontak gesekan beberapa benda netral, elektron berpindah dari satu benda ke benda lain. Elektrifikasi akibat gesekan merupakan penyebab terjadinya listrik statis, yang pelepasannya dapat diketahui, misalnya jika Anda menyisir rambut dengan sisir plastik atau melepas kemeja atau sweter sintetis.
  • Elektrifikasi melalui pengaruh terjadi jika benda bermuatan dibawa ke ujung batang logam netral, dan terjadi pelanggaran pemerataan muatan positif dan negatif di dalamnya. Distribusinya terjadi dengan cara yang aneh: muatan negatif berlebih muncul di satu bagian batang, dan muatan positif muncul di bagian lain. Muatan seperti itu disebut terinduksi, yang kejadiannya dijelaskan oleh pergerakan elektron bebas dalam logam di bawah pengaruh medan listrik benda bermuatan yang dibawa ke sana.

Biaya poin- ini adalah benda bermuatan, yang dimensinya dapat diabaikan dalam kondisi tertentu.

Biaya poin- Ini poin materi, yang bermuatan listrik.
Benda-benda bermuatan berinteraksi satu sama lain dengan cara berikut: benda-benda yang bermuatan berlawanan tarik-menarik, benda-benda yang bermuatan serupa tolak-menolak.

hukum Coulomb: gaya interaksi antara dua muatan titik stasioner q1 dan q2 dalam ruang hampa berbanding lurus dengan hasil kali besar muatan dan berbanding terbalik dengan kuadrat jarak antara keduanya:

Properti utama medan listrik- medan listrik mempengaruhi muatan listrik dengan gaya tertentu. Medan listrik adalah kasus khusus listrik Medan gaya.

Medan elektrostatis adalah medan listrik muatan stasioner. Kuat medan listrik adalah besaran vektor yang mencirikan medan listrik pada suatu titik tertentu. Kuat medan pada suatu titik tertentu ditentukan oleh perbandingan gaya yang bekerja pada muatan titik yang ditempatkan pada suatu titik tertentu di medan dengan besar muatan tersebut:

Ketegangan- ini adalah karakteristik gaya medan listrik; ini memungkinkan Anda menghitung gaya yang bekerja pada muatan ini: F = qE.

Dalam Sistem Satuan Internasional, satuan pengukuran tegangan adalah volt per meter. Garis tegangan adalah garis imajiner yang diperlukan untuk digunakan gambar grafis Medan listrik. Garis-garis tegangan ditarik sedemikian rupa sehingga garis singgungnya pada setiap titik dalam ruang berimpit dengan arah vektor kuat medan pada suatu titik tertentu.

Prinsip superposisi medan: kuat medan dari beberapa sumber sama dengan jumlah vektor kuat medan masing-masing sumber.

Dipol listrik- ini adalah kumpulan dua muatan titik berlawanan modulus yang sama (+q dan –q), terletak pada jarak tertentu satu sama lain.

Momen dipol (listrik). adalah besaran fisis vektor yang merupakan ciri utama dipol.
Dalam Satuan Sistem Internasional, satuan momen dipol adalah coulomb meter (C/m).

Jenis dielektrik:

  • Kutub, yang meliputi molekul yang pusat distribusi muatan positif dan negatifnya tidak bertepatan (dipol listrik).
  • Non-polar, dalam molekul dan atom yang pusat distribusi muatan positif dan negatifnya bertepatan.

Polarisasi adalah proses yang terjadi ketika dielektrik ditempatkan dalam medan listrik.

Polarisasi dielektrik adalah proses perpindahan muatan positif dan negatif yang terkait dari dielektrik ke arah yang berlawanan di bawah pengaruh medan listrik eksternal.

Konstanta dielektrik adalah besaran fisis yang mencirikan sifat listrik dielektrik dan ditentukan oleh rasio modulus kuat medan listrik dalam ruang hampa dengan modulus intensitas medan ini di dalam dielektrik homogen.

Konstanta dielektrik merupakan besaran tak berdimensi dan dinyatakan dalam satuan tak berdimensi.

Feroelektrik- ini adalah sekelompok dielektrik kristal yang tidak memiliki medan listrik eksternal dan sebaliknya terjadi orientasi spontan momen dipol partikel.

Efek piezoelektrik- ini adalah efek selama deformasi mekanis beberapa kristal dalam arah tertentu, di mana muatan listrik dari jenis yang berlawanan muncul di permukaannya.

Potensi medan listrik. Kapasitas listrik

Potensi elektrostatik adalah besaran fisis yang mencirikan medan elektrostatis pada suatu titik tertentu, ditentukan oleh relasinya energi potensial interaksi muatan dengan suatu medan dengan nilai muatan yang ditempatkan pada suatu titik tertentu di lapangan:

Satuan ukuran dalam Sistem Satuan Internasional adalah volt (V).
Potensi medan muatan titik ditentukan oleh:

Dengan syarat jika q > 0, maka k > 0; jika q

Prinsip superposisi medan terhadap potensial: jika medan elektrostatik dihasilkan oleh beberapa sumber, maka potensialnya pada suatu titik tertentu dalam ruang didefinisikan sebagai jumlah aljabar potensial:

Beda potensial antara dua titik medan listrik adalah besaran fisis yang ditentukan oleh perbandingan kerja gaya elektrostatis untuk memindahkan muatan positif dari titik awal ke titik akhir muatan tersebut:

Permukaan ekuipotensial- ini adalah wilayah geometris titik-titik medan elektrostatis yang nilai potensialnya sama.

Kapasitas listrik adalah besaran fisis yang mencirikan sifat listrik suatu konduktor, ukuran kuantitatif kemampuannya menahan muatan listrik.

Kapasitansi listrik suatu konduktor terisolasi ditentukan oleh rasio muatan konduktor terhadap potensialnya, dan kita asumsikan bahwa potensial medan konduktor diambil sama dengan nol pada titik tak terhingga:

Hukum Ohm

Bagian rantai homogen- ini adalah bagian rangkaian yang tidak memiliki sumber arus. Tegangan pada bagian tersebut akan ditentukan oleh beda potensial pada ujung-ujungnya, yaitu:

Pada tahun 1826, ilmuwan Jerman G. Ohm menemukan hukum yang menentukan hubungan antara kuat arus pada bagian homogen rangkaian dan tegangan yang melintasinya: kuat arus dalam suatu penghantar berbanding lurus dengan tegangan yang melintasinya. , dimana G adalah koefisien proporsionalitas, yang dalam hukum ini disebut daya hantar listrik atau daya hantar listrik suatu penghantar, yang ditentukan dengan rumus.

Konduktivitas konduktor adalah besaran fisis yang berbanding terbalik dengan hambatannya.

Dalam Sistem Satuan Internasional, satuan daya hantar listrik adalah Siemens (Cm).

Arti fisik Siemens: 1 cm adalah konduktivitas suatu konduktor dengan hambatan 1 ohm.
Untuk mendapatkan hukum Ohm pada suatu bagian rangkaian, resistansi R harus disubstitusikan ke dalam rumus yang diberikan di atas sebagai ganti daya hantar listrik, kemudian:

Hukum Ohm untuk bagian rangkaian: Kuat arus pada suatu bagian rangkaian berbanding lurus dengan tegangan yang melewatinya dan berbanding terbalik dengan hambatan suatu bagian rangkaian.

Hukum Ohm untuk rangkaian lengkap: kuat arus pada suatu rangkaian tertutup tidak bercabang, termasuk sumber arus, berbanding lurus dengan gaya gerak listrik sumber tersebut dan berbanding terbalik dengan jumlah hambatan luar dan dalam rangkaian ini:

Aturan Penandatanganan:

  • Jika, ketika melewati rangkaian ke arah yang dipilih, arus di dalam sumber mengalir ke arah bypass, maka EMF dari sumber ini dianggap positif.
  • Jika, ketika melewati rangkaian ke arah yang dipilih, arus di dalam sumber mengalir ke arah yang berlawanan, maka ggl sumber ini dianggap negatif.

Gaya gerak listrik (EMF) adalah besaran fisis yang mencirikan aksi gaya luar pada sumber arus, yaitu karakteristik energi sumber saat ini. Untuk loop tertutup, EMF didefinisikan sebagai rasio usaha yang dilakukan oleh gaya eksternal untuk memindahkan muatan positif sepanjang loop tertutup ke muatan ini:

Dalam Satuan Sistem Internasional, satuan EMF adalah volt. Ketika rangkaian terbuka, ggl sumber arus sama dengan tegangan listrik pada terminalnya.

hukum Joule-Lenz: jumlah panas yang dihasilkan oleh suatu penghantar berarus ditentukan oleh hasil kali kuadrat arus, hambatan penghantar dan waktu arus melewati penghantar:

Ketika medan listrik suatu muatan bergerak di sepanjang suatu bagian rangkaian, ia menghasilkan kerja, yang ditentukan oleh produk muatan dan tegangan di ujung-ujung bagian rangkaian ini:

Kekuatan arus searah adalah besaran fisis yang mencirikan laju kerja yang dilakukan oleh medan untuk menggerakkan partikel bermuatan sepanjang konduktor dan ditentukan oleh rasio kerja yang dilakukan oleh arus dalam waktu terhadap periode waktu tertentu:

aturan Kirchhoff, yang digunakan untuk menghitung rangkaian DC bercabang, yang intinya adalah menemukan, berdasarkan resistansi tertentu dari bagian-bagian rangkaian dan EMF yang diterapkan padanya, kuat arus di setiap bagian.

Aturan pertama adalah aturan simpul: jumlah aljabar arus yang berkumpul pada suatu simpul adalah titik di mana terdapat lebih dari dua kemungkinan arah arus, sama dengan nol

Aturan kedua adalah aturan kontur: dalam rangkaian tertutup apa pun, dalam rangkaian listrik bercabang, jumlah aljabar produk kekuatan arus dan resistansi bagian yang sesuai dari rangkaian ini ditentukan oleh jumlah aljabar ggl yang diterapkan di dia:

Medan magnet- ini adalah salah satu bentuk manifestasi medan elektromagnetik, yang kekhususannya adalah bahwa medan ini hanya mempengaruhi partikel dan benda bergerak yang bermuatan listrik, serta benda bermagnet, terlepas dari keadaan geraknya.

Vektor induksi magnetik adalah besaran vektor yang mencirikan medan magnet di setiap titik dalam ruang, menentukan perbandingan gaya yang bekerja dari medan magnet pada elemen konduktor berarus listrik dengan hasil kali kuat arus dan panjang elemen konduktor, sama dengan besarnya terhadap rasio fluks magnet melalui persilangan luas dengan luas penampang tersebut.

Dalam Satuan Sistem Internasional, satuan induksi adalah tesla (T).

Sirkuit magnetik adalah kumpulan benda atau wilayah ruang di mana medan magnet terkonsentrasi.

Fluks magnet (fluks induksi magnet) adalah besaran fisis yang ditentukan oleh hasil kali besar vektor induksi magnet dengan luas permukaan datar dan kosinus sudut antara vektor normal terhadap permukaan datar / sudut antara vektor normal dan arah vektor induksi.

Dalam Sistem Satuan Internasional, satuan fluks magnet adalah weber (Wb).
Teorema Ostrogradsky-Gauss untuk fluks induksi magnet: fluks magnet yang melalui permukaan tertutup sembarang adalah nol:

Hukum Ohm untuk rangkaian magnet tertutup:

Permeabilitas magnetik adalah besaran fisis yang mencirikan fitur magnetik suatu zat, yang ditentukan oleh perbandingan modulus vektor induksi magnet dalam medium dengan modulus vektor induksi pada titik yang sama dalam ruang dalam ruang hampa:

Kekuatan medan magnet adalah besaran vektor yang mendefinisikan dan mencirikan medan magnet dan sama dengan:

kekuatan Ampere- ini adalah gaya yang bekerja dari medan magnet pada konduktor yang membawa arus. Gaya dasar Ampere ditentukan oleh hubungan:

hukum Ampere: modulus gaya yang bekerja pada segmen kecil konduktor yang dilalui arus, dari sisi medan magnet seragam dengan induksi membentuk sudut dengan elemen

Prinsip superposisi: bila pada suatu titik tertentu dalam ruang, berbagai sumber membentuk medan magnet yang induksinya adalah B1, B2, .., maka induksi medan yang dihasilkan pada titik tersebut sama dengan:

Aturan gimlet atau aturan sekrup kanan: jika arah gerak translasi ujung gimlet pada saat memasang sekrup bertepatan dengan arah arus dalam ruang, maka arahnya gerakan rotasi Gimlet di setiap titik bertepatan dengan arah vektor induksi magnet.

Hukum Biot-Savart-Laplace: menentukan besar dan arah vektor induksi magnet pada setiap titik medan magnet yang diciptakan dalam ruang hampa oleh elemen konduktor dengan panjang tertentu yang diberi arus:

Pergerakan partikel bermuatan dalam medan listrik dan magnet Gaya Lorentz adalah gaya yang mempengaruhi partikel bergerak dari medan magnet:

Aturan tangan kiri:

  1. Tangan kiri harus diposisikan sedemikian rupa sehingga garis-garis induksi magnet masuk ke telapak tangan, dan keempat jari yang direntangkan sejajar dengan arus, kemudian ibu jari ditekuk 90° akan menunjukkan arah gaya Ampere.
  2. Tangan kiri perlu diposisikan sedemikian rupa sehingga garis-garis induksi magnet masuk ke telapak tangan, dan keempat jari yang terulur bertepatan dengan arah kecepatan partikel dengan muatan positif partikel atau diarahkan ke arah yang berlawanan dengan kecepatan partikel. partikel yang partikelnya bermuatan negatif, maka ibu jari yang ditekuk 90° akan menunjukkan arah gaya Lorentz yang bekerja pada partikel bermuatan.

Jika pada suatu muatan yang bergerak terjadi aksi gabungan medan listrik dan medan magnet, maka gaya yang dihasilkan akan ditentukan oleh:

Spektrograf massa dan spektrometer massa- ini adalah instrumen yang dirancang khusus untuk pengukuran relatif yang akurat massa atom elemen.

hukum Faraday. aturan Lenz

Induksi elektromagnetik- ini adalah fenomena yang terdiri dari fakta bahwa ggl induksi terjadi pada rangkaian konduktif yang terletak di medan magnet bolak-balik.

hukum Faraday: EMF induksi elektromagnetik dalam suatu kontur secara numerik sama dan berlawanan tanda dengan laju perubahan fluks magnet melalui permukaan yang dibatasi oleh kontur ini:

Arus induksi- ini adalah arus yang terbentuk jika muatan mulai bergerak di bawah pengaruh gaya Lorentz.

aturan Lenz: arus induksi yang timbul pada suatu rangkaian tertutup selalu mempunyai arah sedemikian rupa sehingga fluks magnet yang ditimbulkannya melalui luas yang dibatasi oleh rangkaian cenderung mengkompensasi perubahan medan magnet luar yang menyebabkan arus tersebut.

Tata cara penggunaan aturan Lenz untuk menentukan arah arus induksi:

Bidang pusaran- ini adalah medan yang garis tegangannya merupakan garis tertutup, yang penyebabnya adalah timbulnya medan listrik oleh medan magnet.
Kerja medan listrik pusaran ketika muatan positif tunggal bergerak sepanjang konduktor stasioner tertutup secara numerik sama dengan ggl induksi pada konduktor ini.

Toki Fuko- ini besar arus yang diinduksi, muncul dalam konduktor masif karena resistansinya rendah. Jumlah panas yang dilepaskan per satuan waktu oleh arus eddy berbanding lurus dengan kuadrat frekuensi perubahan medan magnet.

Induksi diri. Induktansi

Induksi diri- ini adalah fenomena yang terdiri dari fakta bahwa perubahan medan magnet menginduksi ggl pada konduktor yang dilalui arus, membentuk medan ini.

Fluks magnet suatu rangkaian dengan arus I ditentukan:
Ф = L, dimana L adalah koefisien induktansi diri (induktansi arus).

Induktansi adalah kuantitas fisik yang merupakan karakteristik ggl yang diinduksi sendiri, yang muncul pada rangkaian ketika kuat arus berubah, ditentukan oleh perbandingan fluks magnet yang melalui permukaan yang dibatasi oleh penghantar dengan kuat arus searah dalam rangkaian:

Dalam Satuan Sistem Internasional, satuan induktansi adalah henry (H).
GGL induksi diri ditentukan oleh:

Energi medan magnet ditentukan oleh:

Kerapatan energi volumetrik medan magnet dalam media isotropik dan non-feromagnetik ditentukan oleh:

YouTube ensiklopedis

  • 1 / 5

    Fondasi elektrostatika diletakkan oleh karya Coulomb (walaupun sepuluh tahun sebelumnya, hasil yang sama, bahkan dengan akurasi yang lebih besar, diperoleh oleh Cavendish. Hasil karya Cavendish disimpan di arsip keluarga dan baru diterbitkan seratus tahun kemudian); hukum yang terakhir ditemukan interaksi listrik memungkinkan Green, Gauss dan Poisson menciptakan teori yang elegan secara matematis. Bagian terpenting dari elektrostatika adalah teori potensial, yang diciptakan oleh Green dan Gauss. Banyak penelitian eksperimental tentang elektrostatika dilakukan oleh Rees, yang buku-bukunya di masa lalu menjadi panduan utama untuk mempelajari fenomena ini.

    Konstanta dielektrik

    Menemukan nilai koefisien dielektrik K suatu zat, suatu koefisien yang termasuk dalam hampir semua rumus yang harus dihadapi dalam elektrostatika, dapat dilakukan dengan cara yang sangat berbeda. Metode yang paling umum digunakan adalah sebagai berikut.

    1) Perbandingan kapasitansi listrik dari dua kapasitor yang mempunyai ukuran dan bentuk yang sama, tetapi yang satu lapisan insulasinya berupa lapisan udara, yang lain lapisan dielektrik yang diuji.

    2) Perbandingan gaya tarik menarik antara permukaan kapasitor, ketika beda potensial tertentu diberikan pada permukaan tersebut, tetapi dalam satu kasus terdapat udara di antara keduanya (gaya tarik menarik = F 0), dalam kasus lain, isolator cairan uji ( gaya tarik menarik = F). Koefisien dielektrik dicari dengan rumus:

    K = F 0 F . (\gaya tampilan K=(\frac (F_(0))(F)).)

    3) Pengamatan gelombang listrik (lihat Osilasi listrik) yang merambat sepanjang kabel. Menurut teori Maxwell, kecepatan rambat gelombang listrik sepanjang kabel dinyatakan dengan rumus

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

    di mana K menunjukkan koefisien dielektrik medium yang mengelilingi kawat, μ menunjukkan permeabilitas magnetik medium tersebut. Kita dapat menempatkan μ = 1 untuk sebagian besar benda, dan oleh karena itu hasilnya adalah

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

    Biasanya panjang gelombang listrik berdiri yang timbul pada bagian kawat yang sama yang terletak di udara dan pada uji dielektrik (cair) dibandingkan. Setelah menentukan panjang λ 0 dan λ ini, kita memperoleh K = λ 0 2 / λ 2. Menurut teori Maxwell, ketika medan listrik tereksitasi pada suatu zat isolasi, deformasi khusus terjadi di dalam zat tersebut. Sepanjang tabung induksi, media isolasi terpolarisasi. Perpindahan listrik timbul di dalamnya, yang dapat diibaratkan dengan pergerakan listrik positif searah sumbu tabung-tabung tersebut, dan melalui setiap penampang tabung dilewatkan sejumlah listrik sebesar

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

    Teori Maxwell memungkinkan untuk menemukan ekspresi dari hal tersebut kekuatan internal(gaya tegangan dan tekanan), yang muncul pada dielektrik ketika medan listrik tereksitasi di dalamnya. Pertanyaan ini pertama kali dipertimbangkan oleh Maxwell sendiri, dan kemudian secara lebih rinci oleh Helmholtz. Perkembangan lebih lanjut dari teori masalah ini dan teori elektrostriksi yang terkait erat (yaitu, teori yang mempertimbangkan fenomena yang bergantung pada terjadinya tegangan khusus pada dielektrik ketika medan listrik tereksitasi di dalamnya) termasuk dalam karya Lorberg, Kirchhoff, P. Duhem, N. N. Schiller dan beberapa lainnya

    Kondisi perbatasan

    Mari selesaikan ringkasan Bagian terpenting dari departemen elektrostriksi adalah pertimbangan pertanyaan tentang pembiasan tabung induksi. Mari kita bayangkan dua dielektrik dalam medan listrik, dipisahkan satu sama lain oleh suatu permukaan S, dengan koefisien dielektrik K 1 dan K 2.

    Misalkan pada titik P 1 dan P 2 yang terletak sangat dekat dengan permukaan S di kedua sisinya, besaran potensial dinyatakan dalam V 1 dan V 2 , dan besaran gaya yang dialami oleh satuan listrik positif ditempatkan pada titik-titik ini melalui F 1 dan F 2. Maka untuk titik P yang terletak pada permukaan S itu sendiri, pasti terdapat 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))

    jika ds menyatakan perpindahan yang sangat kecil sepanjang garis perpotongan bidang singgung permukaan S di titik P dengan bidang yang melalui garis normal ke permukaan pada titik ini dan melalui arah gaya listrik di dalamnya. Di sisi lain, seharusnya demikian

    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))

    Mari kita nyatakan dengan ε 2 sudut yang dibuat oleh gaya F 2 dengan normal n2 (di dalam dielektrik kedua), dan dengan ε 1 sudut yang dibuat oleh gaya F 1 dengan normal n 2 yang sama. Kemudian, dengan menggunakan rumus (31) dan (30), kami menemukan

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

    Jadi, pada permukaan yang memisahkan dua dielektrik satu sama lain, kekuatan listrik mengalami perubahan arahnya seperti sinar cahaya masuk dari satu lingkungan ke lingkungan lain. Konsekuensi teori ini dibenarkan oleh pengalaman.