Elektrostatyka, gałąź teorii elektryczności badająca oddziaływanie stacjonarnych ładunków elektrycznych. Elektrostatyka, która bada oddziaływanie sił stacjonarnych pomiędzy makroskopowymi stacjonarnymi naładowanymi ciałami, opiera się na trzech ustalonych eksperymentalnie faktach: obecności dwóch rodzajów ładunków elektrycznych, istnieniu między nimi oddziaływania realizowanego przez pole elektryczne oraz zasadzie superpozycji, gdy oddziaływanie dowolnych dwóch ładunków nie zależy od obecności innych.

Istnieją dwa rodzaje ładunków, dodatnie, oznaczone znakiem plus „+” i ujemne, oznaczone znakiem minus „-”. Ładunki wytwarzają wokół siebie pole elektryczne. Pole ładunków stacjonarnych jest polem elektrostatycznym. Ładunek elektryczny i pole elektryczne to podstawowe pojęcia elektrostatyki.

Całkowity ładunek ciała, zarówno dodatni, jak i ujemny, jest zawsze wielokrotnością jakiegoś elementarnego ładunku elektrycznego. W elektrostatyce bada się wielkości fizyczne uśrednione w przestrzeni i czasie. Podczas uśredniania w przestrzeni stosuje się zwykłe metody fizyki kontinuum; uśrednianie w czasie pozwala uznać ładunki w ruchu termicznym za stacjonarne. Ładunki dodatnie i ujemne są składniki cząsteczki, a wszystkie ciała makroskopowe zawierają ogromną liczbę ładunków dodatnich i ujemnych, ale o oddziaływaniu elektrostatycznym mówimy tylko w przypadku, gdy ciało ma nadmiar ładunków tego samego znaku. Ładunek ciała makroskopowego jest określony przez całkowity ładunek cząstek elementarnych tworzących to ciało. Uśrednianie pozwala uwzględnić nie tylko poszczególne ładunki, ale także wprowadzić pojęcie objętościowej gęstości ładunku. Prawo zachowania ładunków mówi, że ładunek jest zachowywany w układzie zamkniętym.

Mierzyć pole elektryczne, który przeprowadza oddziaływanie ładunków, w dowolnym punkcie jest napięcie . Pole elektryczne przedstawia się za pomocą linii siły – linii, których styczna pokrywa się z kierunkiem natężenia pola. Natężenie pola w dowolnym punkcie jest proporcjonalne do wielkości ładunku tworzącego, dlatego w zasadzie możliwe jest przypisanie ładunkowi elementarnemu pewnej ograniczonej liczby linii pola.

Ładunki elektryczne tego samego znaku odpychają się, ładunki przeciwnego znaku przyciągają się. Na tym zjawisku opiera się zasada działania elektrometru. Rejestracja oddziaływań ładunków jest zawsze prowadzona na odległościach znacznie większych niż odległości międzyatomowe. Pomiędzy ładunkami elektrycznymi, których wielkość można pominąć, działa siła, której wielkość określa prawo Coulomba. Prawo Coulomba, podstawowe prawo elektrostatyki, określa siłę oddziaływania pomiędzy stacjonarnymi ładunkami punktowymi w zależności od ich wielkości i odległości między nimi.

Z prawa Coulomba wynika, że ​​praca sił elektrycznych podczas przemieszczania ładunku nie zależy od drogi, po której ładunek przemieszcza się z jednego punktu do drugiego, ale zależy jedynie od położenia tych punktów w przestrzeni. Jeśli jeden z punktów zostanie doprowadzony do nieskończoności, to w każdym punkcie można skojarzyć potencjał elektryczny, który charakteryzuje pracę, jaką należy wykonać, aby przenieść ładunek jednostkowy z nieskończoności do danego punktu. Jeśli w polu elektrycznym połączymy wszystkie punkty ten sam potencjał, wówczas otrzymujemy powierzchnię o równych potencjałach, czyli powierzchnię ekwipotencjalną.

Zasada superpozycji pól elektrycznych jest jedną z podstawowych zasad elektrostatyki i stanowi uogólnienie wielu obserwacji. Zgodnie z zasadą superpozycji natężenie elektryczne mi pola kilku stacjonarnych ładunków punktowych q1, q2, q3...równy suma wektorowa natężenie pola, jakie wytworzyłby każdy z tych ładunków w przypadku braku pozostałych. W istocie oznacza to, że obecność innych ładunków nie ma wpływu na pole wytwarzane przez dany ładunek.

Prawo oddziaływania ładunków elektrycznych można sformułować w postaci twierdzenia Gaussa, które można rozpatrywać jako konsekwencję prawa Coulomba i zasady superpozycji. Typowymi problemami elektrostatyki jest znalezienie rozkładu ładunków na powierzchni przewodników na podstawie znanych ładunków całkowitych lub potencjałów każdego z nich, a także obliczenie energii układu przewodników na podstawie ich ładunków i potencjałów. Elektrostatyka bada również zachowanie różnych materiałów - przewodników i dielektryków - w polu elektrycznym.

... Wszystkie przewidywania dotyczące elektrostatyki wynikają z jej dwóch praw.
Ale wyrażanie tych rzeczy matematycznie to jedno, a zupełnie co innego
stosuj je z łatwością i z odpowiednią dozą dowcipu.
Richarda Feynmana

Elektrostatyka bada oddziaływanie ładunków stacjonarnych. Kluczowe eksperymenty z zakresu elektrostatyki przeprowadzono w XVII i XVIII wieku. Wraz z odkryciem zjawisk elektromagnetycznych i rewolucją technologiczną, jaką one wywołały, zainteresowanie elektrostatyką na pewien czas spadło. Jednak nowoczesny Badania naukowe pokazują ogromne znaczenie elektrostatyki dla zrozumienia wielu procesów zachodzących w przyrodzie ożywionej i nieożywionej.

Elektrostatyka i życie

W 1953 roku amerykańscy naukowcy S. Miller i G. Urey wykazali, że jeden z „elementów budulcowych życia” – aminokwasy – można otrzymać przepuszczając wyładowanie elektryczne przez gaz o składzie podobnym do prymitywnej atmosfery ziemskiej, składający się metanu, amoniaku, wodoru i pary wodnej. W ciągu następnych 50 lat inni badacze powtórzyli te eksperymenty i uzyskali te same wyniki. Kiedy przez bakterie przepływają krótkie impulsy prądu, w ich otoczce (błonie) pojawiają się pory, przez które mogą przedostać się fragmenty DNA innych bakterii, uruchamiając jeden z mechanizmów ewolucji. Zatem energia potrzebna do powstania życia na Ziemi i jego ewolucji może rzeczywiście być energią elektrostatyczną wyładowań atmosferycznych (rys. 1).

Jak elektrostatyka powoduje pioruny

W dowolnym momencie w różnych punktach Ziemi błyska około 2000 piorunów, co sekundę w Ziemię uderza około 50 piorunów, a piorun uderza w każdy kilometr kwadratowy powierzchni Ziemi średnio sześć razy w roku. Już w XVIII wieku Benjamin Franklin udowodnił, że piorun uderzający w chmury burzowe to wyładowania elektryczne, które przenoszą negatywny opłata. Co więcej, każde z wyładowań dostarcza do Ziemi kilkadziesiąt kulombów energii elektrycznej, a amplituda prądu podczas uderzenia pioruna waha się od 20 do 100 kiloamperów. Zdjęcia wykonane z dużą szybkością pokazały, że uderzenie pioruna trwa zaledwie dziesiąte sekundy, a każdy piorun składa się z kilku krótszych.

Za pomocą przyrządów pomiarowych zainstalowanych na sondach atmosferycznych na początku XX wieku zmierzono ziemskie pole elektryczne, którego natężenie na powierzchni okazało się wynosić około 100 V/m, co odpowiada całkowitemu ładunkowi planety około 400 000 C. Nośnikiem ładunków w atmosferze ziemskiej są jony, których stężenie wzrasta wraz z wysokością i osiąga maksimum na wysokości 50 km, gdzie pod wpływem promieniowania kosmicznego utworzyła się warstwa przewodząca prąd elektryczny – jonosfera. Można zatem powiedzieć, że pole elektryczne Ziemi jest polem kondensatora sferycznego o przyłożonym napięciu około 400 kV. Pod wpływem tego napięcia przez cały czas z górnych warstw do dolnych przepływa prąd o natężeniu 2–4 kA, którego gęstość wynosi (1–2) 10–12 A/m 2 i uwalniana jest energia do 1,5 GW. A gdyby nie było błyskawicy, to pole elektryczne znikłoby! Okazuje się, że przy dobrej pogodzie ziemski kondensator elektryczny jest rozładowywany, a podczas burzy ładowany.

Chmura burzowa to ogromna ilość pary, której część skondensowała się w maleńkie kropelki lub kry lodu. Szczyt chmury burzowej może znajdować się na wysokości 6–7 km, a dno może wisieć nad ziemią na wysokości 0,5–1 km. Powyżej 3–4 km chmury składają się z kry różnej wielkości, ponieważ temperatura jest tam zawsze poniżej zera. Te kawałki lodu są w ciągłym ruchu, spowodowanym wznoszącymi się prądami ciepłego powietrza unoszącymi się od dołu z nagrzanej powierzchni ziemi. Małe kawałki lodu są lżejsze od dużych, są unoszone przez wznoszące się prądy powietrza i po drodze zderzają się z dużymi. Przy każdym takim zderzeniu następuje elektryfikacja, w której duże kawałki lodu ładują się ujemnie, a małe - dodatnio. Z biegiem czasu dodatnio naładowane małe kawałki lodu gromadzą się głównie w górnej części chmury, a ujemnie naładowane duże – na dole (ryc. 2). Innymi słowy, górna część chmury jest naładowana dodatnio, a dolna - ujemnie. W tym przypadku ładunki dodatnie indukowane są na ziemi bezpośrednio pod chmurą burzową. Teraz wszystko jest gotowe na wyładowanie atmosferyczne, podczas którego następuje załamanie powietrza i ładunek ujemny z dna chmury burzowej spływa na Ziemię.

Typowe jest, że przed burzą natężenie pola elektrycznego Ziemi może osiągnąć 100 kV/m, czyli 1000 razy więcej niż jego wartość przy dobrej pogodzie. W rezultacie ładunek dodatni każdego włosa na głowie osoby stojącej pod chmurą burzową wzrasta o tę samą ilość, a one, odpychając się od siebie, stają na głowie (ryc. 3).

Fulguryt - ślad błyskawicy na ziemi

Podczas wyładowania atmosferycznego uwalniana jest energia rzędu 10 9 –10 10 J. Większość tej energii jest zużywana na grzmoty, ogrzewanie powietrza, błyski światła i emisję innych fal elektromagnetycznych, a tylko niewielka część jest uwalniana w miejscu, w którym piorun uderza w ziemię. Ale nawet ta „mała” część wystarczy, aby wywołać pożar, zabić człowieka lub zniszczyć budynek. Piorun może nagrzać kanał, przez który się przemieszcza, do temperatury 30 000°C, czyli znacznie wyższej niż temperatura topnienia piasku (1600–2000°C). Dlatego piorun uderzając w piasek topi go, a gorące powietrze i para wodna, rozszerzając się, tworzą z roztopionego piasku rurkę, która po pewnym czasie twardnieje. Tak rodzą się fulguryty (grzmotowe strzały, diabelskie palce) – puste w środku cylindry wykonane z roztopionego piasku (ryc. 4). Najdłużej wydobyte fulguryty zeszły pod ziemię na głębokość ponad pięciu metrów.

Jak elektrostatyka chroni przed piorunami

Na szczęście większość uderzeń piorunów następuje pomiędzy chmurami i dlatego nie stanowią zagrożenia dla zdrowia ludzi. Uważa się jednak, że co roku piorun zabija na całym świecie ponad tysiąc osób. Przynajmniej w Stanach Zjednoczonych, gdzie prowadzone są takie statystyki, co roku od uderzeń pioruna cierpi około tysiąca osób, a ponad setka z nich umiera. Naukowcy od dawna starają się chronić ludzi przed tą „karą Bożą”. Przykładowo wynalazca pierwszego kondensatora elektrycznego (słoik Leydena), Pieter van Muschenbrouck, w artykule na temat elektryczności napisanym dla słynnej Encyklopedii Francuskiej bronił tradycyjnych metod zapobiegania piorunom - dzwonek dzwoni i strzelanie z armat, które jego zdaniem były całkiem skuteczne.

W 1750 roku Franklin wynalazł piorunochron. Próbując chronić stolicę Maryland przed uderzeniem pioruna, przymocował do budynku gruby żelazny pręt, wystający kilka metrów nad kopułą i połączony z ziemią. Naukowiec odmówił opatentowania swojego wynalazku, chcąc, aby jak najszybciej zaczął służyć ludziom. Mechanizm działania piorunochronu łatwo wyjaśnić, jeśli przypomnimy sobie, że natężenie pola elektrycznego w pobliżu powierzchni naładowanego przewodnika rośnie wraz ze wzrostem krzywizny tej powierzchni. Dlatego pod chmurą burzową w pobliżu końcówki piorunochronu natężenie pola będzie tak duże, że spowoduje jonizację otaczającego powietrza i wyładowanie koronowe w nim. W rezultacie prawdopodobieństwo uderzenia pioruna w piorunochron znacznie wzrośnie. Tym samym znajomość elektrostatyki pozwoliła nie tylko wyjaśnić pochodzenie wyładowań atmosferycznych, ale także znaleźć sposób na ochronę przed nimi.

Wieść o piorunochronie Franklina szybko rozeszła się po całej Europie i został on wybrany do wszystkich akademii, w tym do rosyjskiej. Jednak w niektórych krajach pobożna ludność przyjęła ten wynalazek z oburzeniem. Sama myśl, że człowiek może tak łatwo i prosto okiełznać główną broń Bożego gniewu, wydawała się bluźniercza. Dlatego w różnych miejscach ludzie z pobożnych powodów łamali piorunochrony.

Do ciekawego zdarzenia doszło w 1780 roku w małym miasteczku w północnej Francji, gdzie mieszczanie zażądali zburzenia żelaznego masztu piorunochronu i sprawa trafiła do sądu. Młody prawnik, który bronił piorunochronu przed atakami obskurantystów, oparł swoją obronę na fakcie, że zarówno ludzki umysł, jak i jego zdolność do pokonywania sił natury boskie pochodzenie. Wszystko, co pomaga uratować życie, służy dobru – przekonywał młody prawnik. Wygrał sprawę i zyskał wielką sławę. Prawnik nazywał się... Maximilian Robespierre.

Cóż, teraz portret wynalazcy piorunochronu jest najbardziej pożądaną reprodukcją na świecie, ponieważ zdobi dobrze znany banknot studolarowy.

Elektrostatyka, która przywraca życie

Energia wyładowania kondensatora nie tylko doprowadziła do powstania życia na Ziemi, ale może także przywrócić życie ludziom, których komórki serca przestały bić synchronicznie. Asynchroniczne (chaotyczne) skurcze komórek serca nazywane są migotaniem. Migotanie serca można zatrzymać, przepuszczając krótki impuls prądu przez wszystkie jego komórki. W tym celu do klatki piersiowej pacjenta przykłada się dwie elektrody, przez które przepuszczany jest impuls o czasie trwania około dziesięciu milisekund i amplitudzie do kilkudziesięciu amperów. W tym przypadku energia wyładowania przez klatkę piersiową może osiągnąć 400 J (co jest równe energii potencjalnej funta podniesionego na wysokość 2,5 m). Urządzenie powodujące porażenie prądem, które zatrzymuje migotanie serca, nazywa się defibrylatorem. Najprostszym defibrylatorem jest obwód oscylacyjny składający się z kondensatora o pojemności 20 μF i cewki o indukcyjności 0,4 H. Ładując kondensator do napięcia 1–6 kV i rozładowując go przez cewkę i pacjenta, którego rezystancja wynosi około 50 omów, można uzyskać impuls prądu niezbędny do przywrócenia pacjenta do życia.

Elektrostatyka dająca światło

Lampa fluorescencyjna może służyć jako wygodny wskaźnik natężenia pola elektrycznego. Aby to sprawdzić, będąc w ciemnym pomieszczeniu, przetrzyj lampę ręcznikiem lub szalikiem – w efekcie zewnętrzna powierzchnia szkła lampy zostanie naładowana dodatnio, a tkanina – ujemnie. Gdy tylko to nastąpi, w tych miejscach lampy, których dotkniemy naładowaną szmatką, zobaczymy błyski światła. Pomiary wykazały, że natężenie pola elektrycznego wewnątrz działającej świetlówki wynosi około 10 V/m. Przy tej intensywności wolne elektrony mają niezbędną energię do jonizacji atomów rtęci wewnątrz świetlówki.

Pole elektryczne pod liniami wysokiego napięcia – liniami energetycznymi – może osiągać bardzo duże wartości. Dlatego jeśli w nocy świetlówka zostanie wbita w ziemię pod linią energetyczną, zaświeci się i to dość jasno (ryc. 5). Wykorzystując energię pola elektrostatycznego, można więc oświetlić przestrzeń pod liniami energetycznymi.

Jak elektrostatyka ostrzega przed ogniem i oczyszcza dym

W większości przypadków przy wyborze typu czujki pożarowej preferowany jest czujnik dymu, ponieważ pożarowi zwykle towarzyszy wyzwolenie duża ilość dymu i tego typu czujka jest w stanie ostrzec osoby znajdujące się w budynku o niebezpieczeństwie. Czujki dymu wykorzystują zasadę jonizacji lub fotoelektryczności do wykrywania dymu w powietrzu.

Jonizacyjne czujki dymu zawierają źródło promieniowania α (zwykle ameryk-241), które jonizuje powietrze pomiędzy metalowymi płytkami elektrod, opór elektryczny pomiędzy którymi jest stale mierzona za pomocą specjalnego obwodu. Jony powstałe w wyniku promieniowania α zapewniają przewodność pomiędzy elektrodami, a pojawiające się tam mikrocząsteczki dymu wiążą się z jonami, neutralizują ich ładunek i w ten sposób zwiększają rezystancję pomiędzy elektrodami, na co obwód elektryczny reaguje dźwiękiem alarm. Czujniki oparte na tej zasadzie charakteryzują się imponującą czułością, reagując jeszcze zanim żywa istota wykryje pierwszą oznakę dymu. Należy zaznaczyć, że źródło promieniowania zastosowane w czujniku nie stwarza żadnego zagrożenia dla człowieka, gdyż promienie alfa nie mogą przejść nawet przez kartkę papieru i są całkowicie pochłaniane przez kilkucentymetrową warstwę powietrza.

Zdolność cząstek pyłu do elektryzowania się jest szeroko stosowana w przemysłowych odpylaczach elektrostatycznych. Unoszący się ku górze gaz zawierający np. cząstki sadzy przechodzi przez ujemnie naładowaną metalową siatkę, w wyniku czego cząstki te uzyskują ładunek ujemny. Cząstki wznosząc się ku górze, trafiają w pole elektryczne dodatnio naładowanych płyt, do których są przyciągane, po czym cząstki wpadają do specjalnych pojemników, skąd są okresowo usuwane.

Bioelektrostatyka

Jedną z przyczyn astmy są produkty przemiany materii roztoczy (ryc. 6) – owadów wielkości około 0,5 mm, które zamieszkują nasz dom. Badania wykazały, że ataki astmy są spowodowane przez jedno z białek wydzielanych przez te owady. Struktura tego białka przypomina podkowę, której oba końce są naładowane dodatnio. Elektrostatyczne siły odpychające pomiędzy końcami takiego białka w kształcie podkowy sprawiają, że jego struktura jest stabilna. Jednakże właściwości białka można zmienić, neutralizując jego ładunki dodatnie. Można tego dokonać poprzez zwiększenie stężenia jonów ujemnych w powietrzu za pomocą dowolnego jonizatora, na przykład żyrandola Chizhevsky'ego (ryc. 7). Jednocześnie zmniejsza się częstotliwość ataków astmy.

Elektrostatyka pomaga nie tylko neutralizować białka wydzielane przez owady, ale także same je wyłapywać. Mówi się już, że włosy, jeśli są naładowane, „stają dęba”. Możesz sobie wyobrazić, czego doświadczają owady, gdy zostają naładowane elektrycznie. Najcieńsze włosy na ich łapach rozdzielają się różne strony, a owady tracą zdolność poruszania się. Na tej zasadzie opiera się pułapka na karaluchy pokazana na rysunku 8. Karaluchy są przyciągane przez słodki proszek, który jest wcześniej naładowany elektrostatycznie. Proszek (na zdjęciu jest biały) służy do pokrycia pochyłej powierzchni wokół pułapki. Po dostaniu się do proszku owady zostają naładowane i wpadają do pułapki.

Co to są środki antystatyczne?

Ubrania, dywany, narzuty itp. przedmioty ładują się po kontakcie z innymi przedmiotami, a czasem po prostu pod wpływem strumieni powietrza. W życiu codziennym i pracy powstające w ten sposób ładunki nazywane są często elektrycznością statyczną.

W normalnych warunkach atmosferycznych włókna naturalne (bawełna, wełna, jedwab i wiskoza) dobrze wchłaniają wilgoć (hydrofilowe) i dlatego słabo przewodzą prąd. Kiedy takie włókna dotykają lub ocierają się o inne materiały, na ich powierzchni pojawiają się nadmierne ładunki elektryczne, ale na bardzo krótki czas, gdyż ładunki natychmiast przepływają z powrotem przez mokre włókna tkaniny zawierające różne jony.

W przeciwieństwie do włókien naturalnych, włókna syntetyczne (poliester, akryl, polipropylen) nie wchłaniają dobrze wilgoci (hydrofobowe), a na ich powierzchni znajduje się mniej jonów mobilnych. Kiedy materiały syntetyczne stykają się ze sobą, ładują się przeciwnymi ładunkami, ale ponieważ ładunki te rozładowują się bardzo powoli, materiały sklejają się ze sobą, powodując niedogodności i dyskomfort. Swoją drogą włosy swoją budową bardzo przypominają włókna syntetyczne i są też hydrofobowe, dlatego w kontakcie np. z grzebieniem ładują się elektrycznie i zaczynają się odpychać.

Aby pozbyć się elektryczności statycznej, powierzchnię odzieży lub innych przedmiotów można nasmarować substancją, która zatrzymuje wilgoć i tym samym zwiększa stężenie ruchomych jonów na powierzchni. Po takiej obróbce powstały ładunek elektryczny szybko zniknie z powierzchni przedmiotu lub rozłoży się na nim. Hydrofilowość powierzchni można zwiększyć smarując ją środkami powierzchniowo czynnymi, których cząsteczki przypominają cząsteczki mydła – jedna część bardzo długiej cząsteczki jest naładowana, a druga nie. Substancje zapobiegające pojawianiu się elektryczności statycznej nazywane są środkami antystatycznymi. Na przykład zwykły pył węglowy lub sadza jest środkiem antystatycznym, dlatego też, aby pozbyć się elektryczności statycznej, do impregnacji materiałów dywanowych i tapicerskich dodawana jest tzw. czerń lampowa. W tych samych celach do takich materiałów dodaje się do 3% włókien naturalnych, a czasem cienkich metalowych nici.

Elektrostatyka to dziedzina fizyki zajmująca się właściwościami i interakcjami rzeczy, które są nieruchome względem siebie układ inercyjny liczenie naładowanych elektrycznie ciał lub cząstek, które mają ładunek elektryczny.

Ładunek elektryczny- Ten wielkość fizyczna, który charakteryzuje właściwość ciał lub cząstek wchodzenia w oddziaływania elektromagnetyczne oraz określa wartości sił i energii podczas tych oddziaływań. W System międzynarodowy jednostki Jednostką ładunku elektrycznego jest kulomb (C).

Istnieją dwa rodzaje ładunków elektrycznych:

  • pozytywny;
  • negatywny.

Ciało jest elektrycznie obojętne, jeśli całkowity ładunek ujemnie naładowanych cząstek tworzących to ciało jest równy całkowitemu ładunkowi dodatnio naładowanych cząstek.

Stabilnymi nośnikami ładunków elektrycznych są cząstki elementarne i antycząstki.

Nośnikami ładunku dodatniego są proton i pozyton, a nośnikami ładunku ujemnego są elektron i antyproton.

Całkowity ładunek elektryczny układu jest równy sumie algebraicznej ładunków ciał wchodzących w skład układu, tj.:

Prawo zachowania ładunku: w zamkniętym, izolowanym elektrycznie systemie całkowity ładunek elektryczny pozostaje niezmieniony, niezależnie od procesów zachodzących w systemie.

System izolowany to system, w którym otoczenie zewnętrzne Przez jego granice nie przedostają się naładowane elektrycznie cząstki ani żadne ciała.

Prawo zachowania ładunku- jest to konsekwencja zachowania liczby cząstek, w przestrzeni następuje redystrybucja cząstek.

Przewodnicy- są to ciała posiadające ładunki elektryczne, które mogą swobodnie przemieszczać się na znaczne odległości.
Przykłady przewodników: metale w stanie stałym i ciekłym, gazy zjonizowane, roztwory elektrolitów.

Dielektryki- są to ciała posiadające ładunki, które nie mogą przemieszczać się z jednej części ciała do drugiej, czyli ładunki związane.
Przykłady dielektryków: kwarc, bursztyn, ebonit, gazy w normalnych warunkach.

Elektryfikacja- jest to proces, w wyniku którego ciała nabywają zdolność do uczestniczenia w oddziaływaniach elektromagnetycznych, czyli nabywają ładunek elektryczny.

Elektryfikacja ciał- jest to proces redystrybucji ładunków elektrycznych znajdujących się w ciałach, w wyniku którego ładunki ciał stają się o przeciwnych znakach.

Rodzaje elektryfikacji:

  • Elektryfikacja na skutek przewodnictwa elektrycznego. Kiedy zetkną się dwa ciała metalowe, jedno naładowane, drugie obojętne, pewna liczba wolnych elektronów zostanie przeniesiona z ciała naładowanego do ciała obojętnego, jeśli ładunek ciała jest ujemny i odwrotnie, jeśli ładunek ciała jest dodatni .

    W rezultacie w pierwszym przypadku ciało neutralne otrzyma ładunek ujemny, w drugim - dodatni.

  • Elektryfikacja poprzez tarcie. W wyniku kontaktu przez tarcie niektórych ciał obojętnych elektrony przechodzą z jednego ciała na drugie. Elektryfikacja poprzez tarcie jest przyczyną elektryczności statycznej, której wyładowania można zaobserwować np. podczas czesania włosów plastikowym grzebieniem lub zdjęcia syntetycznej koszuli czy swetra.
  • Elektryfikacja poprzez wpływ występuje, gdy naładowane ciało zostanie doprowadzone do końca neutralnego metalowego pręta i nastąpi w nim naruszenie równomiernego rozkładu ładunków dodatnich i ujemnych. Ich rozkład zachodzi w specyficzny sposób: w jednej części pręta pojawia się nadmiar ładunku ujemnego, a w drugiej dodatni. Takie ładunki nazywane są indukowanymi, których występowanie tłumaczy się ruchem wolnych elektronów w metalu pod wpływem doprowadzonego do niego pola elektrycznego naładowanego ciała.

Opłata punktowa- jest to ciało naładowane, którego wymiary w danych warunkach można pominąć.

Opłata punktowa- Ten punkt materialny, który ma ładunek elektryczny.
Ciała naładowane oddziałują ze sobą w następujący sposób: ciała naładowane przeciwnie przyciągają, ciała podobnie naładowane odpychają.

prawo Coulomba: siła oddziaływania pomiędzy dwoma stacjonarnymi ładunkami punktowymi q1 i q2 w próżni jest wprost proporcjonalna do iloczynu wielkości ładunków i odwrotnie proporcjonalna do kwadratu odległości między nimi:

Główna właściwość pola elektrycznego- polega to na tym, że pole elektryczne z pewną siłą oddziałuje na ładunki elektryczne. Pole elektryczne jest przypadkiem szczególnym elektro pole magnetyczne.

Pole elektrostatyczne jest polem elektrycznym ładunków stacjonarnych. Natężenie pola elektrycznego jest wielkością wektorową charakteryzującą pole elektryczne w danym punkcie. Natężenie pola w danym punkcie wyznacza się ze stosunku siły działającej na ładunek punktowy umieszczony w danym punkcie pola do wielkości tego ładunku:

Napięcie- jest to siła charakterystyczna dla pola elektrycznego; pozwala obliczyć siłę działającą na ten ładunek: F = qE.

W Międzynarodowym Układzie Jednostek Jednostką miary napięcia jest wolt na metr. Linie napięcia to wyimaginowane linie wymagane do użycia obraz graficzny pole elektryczne. Linie napięcia rysuje się tak, aby styczne do nich w każdym punkcie przestrzeni pokrywały się w kierunku z wektorem natężenia pola w danym punkcie.

Zasada superpozycji pól: natężenie pola z kilku źródeł jest równe sumie wektorowej natężeń pól każdego z nich.

Dipole elektryczne- jest to zbiór dwóch ładunków punktowych o jednakowych modułach (+q i –q), znajdujących się w pewnej odległości od siebie.

Moment dipolowy (elektryczny). jest wektorową wielkością fizyczną, która jest główną cechą dipola.
W Międzynarodowym Układzie Jednostek Jednostką momentu dipolowego jest kulomb metr (C/m).

Rodzaje dielektryków:

  • Polarny, do których należą cząsteczki, w których środki rozkładu ładunków dodatnich i ujemnych nie pokrywają się (dipole elektryczne).
  • Niepolarny, w cząsteczkach i atomach, których środki rozkładu ładunków dodatnich i ujemnych pokrywają się.

Polaryzacja to proces zachodzący po umieszczeniu dielektryków w polu elektrycznym.

Polaryzacja dielektryków to proces przemieszczania powiązanych ładunków dodatnich i ujemnych dielektryka w przeciwnych kierunkach pod wpływem zewnętrznego pola elektrycznego.

Stała dielektryczna jest wielkością fizyczną charakteryzującą właściwości elektryczne dielektryka i jest określony przez stosunek modułu natężenia pola elektrycznego w próżni do modułu natężenia tego pola wewnątrz jednorodnego dielektryka.

Stała dielektryczna jest wielkością bezwymiarową i wyrażana jest w jednostkach bezwymiarowych.

Ferroelektryki- jest to grupa dielektryków krystalicznych, które nie posiadają zewnętrznego pola elektrycznego i zamiast tego następuje spontaniczna orientacja momentów dipolowych cząstek.

Efekt piezoelektryczny- jest to efekt mechanicznego odkształcenia niektórych kryształów w określonych kierunkach, gdy na ich powierzchniach pojawiają się ładunki elektryczne przeciwnego typu.

Potencjał pola elektrycznego. Pojemność elektryczna

Potencjał elektrostatyczny jest wielkością fizyczną charakteryzującą pole elektrostatyczne w danym punkcie, wyznacza się ją zależnością energia potencjalna oddziaływanie ładunku z polem na wartość ładunku umieszczonego w danym punkcie pola:

Jednostką miary w Międzynarodowym Układzie Jednostek Miar jest wolt (V).
Potencjał pola ładunku punktowego jest określony przez:

Pod warunkiem, że q > 0, to k > 0; jeśli q

Zasada superpozycji pola na potencjał: jeżeli pole elektrostatyczne tworzone jest przez kilka źródeł, to jego potencjał w danym punkcie przestrzeni definiuje się jako algebraiczną sumę potencjałów:

Różnica potencjałów między dwoma punktami pola elektrycznego jest wielkością fizyczną określoną przez współczynnik pracy siły elektrostatyczne przesuwając ładunek dodatni z punktu początkowego do punktu końcowego do tego ładunku:

Powierzchnie ekwipotencjalne- jest to obszar geometryczny punktów pola elektrostatycznego, w których wartości potencjałów są takie same.

Pojemność elektryczna to wielkość fizyczna charakteryzująca właściwości elektryczne przewodnika, ilościowa miara jego zdolności do utrzymywania ładunku elektrycznego.

Pojemność elektryczna izolowanego przewodnika jest określona przez stosunek ładunku przewodnika do jego potencjału i zakładamy, że potencjał pola przewodnika przyjmuje się jako równy zero w punkcie nieskończoności:

Prawo Ohma

Jednorodny przekrój łańcucha- jest to odcinek obwodu, który nie ma źródła prądu. Napięcie w takim odcinku będzie określone przez różnicę potencjałów na jego końcach, czyli:

W 1826 roku niemiecki naukowiec G. Ohm odkrył prawo określające zależność między natężeniem prądu w jednorodnej części obwodu a napięciem na nim: natężenie prądu w przewodniku jest wprost proporcjonalne do napięcia na nim. , gdzie G jest współczynnikiem proporcjonalności, który w tym prawie nazywa się przewodnością elektryczną lub przewodnością przewodnika, określoną wzorem.

Przewodność przewodnika jest wielkością fizyczną będącą odwrotnością jego oporu.

W międzynarodowym układzie jednostek jednostką przewodności elektrycznej jest Siemens (Cm).

Fizyczne znaczenie Siemensa: 1 cm to przewodność przewodnika o rezystancji 1 oma.
Aby otrzymać prawo Ohma dla odcinka obwodu, należy zamiast przewodności elektrycznej podstawić do podanego wzoru rezystancję R, a następnie:

Prawo Ohma dla odcinka obwodu: Natężenie prądu w odcinku obwodu jest wprost proporcjonalne do napięcia na nim i odwrotnie proporcjonalne do rezystancji odcinka obwodu.

Prawo Ohma dla pełnego obwodu: natężenie prądu w nierozgałęzionym obwodzie zamkniętym, zawierającym źródło prądu, jest wprost proporcjonalne do siły elektromotorycznej tego źródła i odwrotnie proporcjonalne do sumy sił zewnętrznych i opór wewnętrzny tego łańcucha:

Regulamin podpisu:

  • Jeżeli podczas omijania obwodu w wybranym kierunku prąd wewnątrz źródła płynie w kierunku obejścia, wówczas pole elektromagnetyczne tego źródła uważa się za dodatnie.
  • Jeżeli podczas omijania obwodu w wybranym kierunku prąd wewnątrz źródła płynie w przeciwnym kierunku, wówczas emf tego źródła jest uważany za ujemny.

Siła elektromotoryczna (EMF) jest wielkością fizyczną charakteryzującą działanie sił zewnętrznych w źródłach prądu, jest to charakterystyka energetyczna źródła prądu. W przypadku zamkniętej pętli pole elektromagnetyczne definiuje się jako stosunek pracy wykonanej przez siły zewnętrzne w celu przemieszczenia ładunku dodatniego wzdłuż zamkniętej pętli do tego ładunku:

W Międzynarodowym Układzie Jednostek Jednostką pola elektromagnetycznego jest wolt. Gdy obwód jest otwarty, siła emf źródła prądu jest równa napięciu elektrycznemu na jego zaciskach.

Prawo Joule’a-Lenza: ilość ciepła wytworzonego przez przewodnik z prądem jest określona przez iloczyn kwadratu prądu, rezystancji przewodnika i czasu przepływu prądu przez przewodnik:

Przesuwając pole elektryczne ładunku wzdłuż odcinka obwodu, działa ono, co określa iloczyn ładunku i napięcia na końcach tego odcinka obwodu:

Moc prąd stały to wielkość fizyczna charakteryzująca szybkość pracy wykonanej przez pole podczas przemieszczania naładowanych cząstek wzdłuż przewodnika, określona przez stosunek pracy wykonanej przez prąd w czasie do tego okresu:

Reguły Kirchhoffa, które służą do obliczania rozgałęzionych obwodów prądu stałego, których istotą jest znalezienie zadanej rezystancji odcinków obwodu i przyłożonego do nich pola elektromagnetycznego, natężenia prądu w każdej sekcji.

Pierwszą zasadą jest zasada węzła: suma algebraiczna prądów zbiegających się w węźle to punkt, w którym istnieją więcej niż dwa możliwe kierunki prądu, jest ona równa zeru

Drugą zasadą jest zasada konturów: w dowolnym obwodzie zamkniętym, w rozgałęzionym obwodzie elektrycznym, suma algebraiczna iloczynów natężeń prądu i rezystancji odpowiednich odcinków tego obwodu jest określona przez sumę algebraiczną emf zastosowanego w To:

Pole magnetyczne- jest to jedna z form manifestacji pola elektromagnetycznego, której specyfika polega na tym, że pole to oddziałuje wyłącznie na poruszające się cząstki i ciała posiadające ładunek elektryczny, a także ciała namagnesowane, niezależnie od stanu ich ruchu.

Wektor indukcji magnetycznej jest wielkością wektorową charakteryzującą pole magnetyczne w dowolnym punkcie przestrzeni, określającą stosunek siły działającej od pola magnetycznego na element przewodzący z prądem elektrycznym do iloczynu natężenia prądu i długości elementu przewodzącego, równy wielkość do stosunku strumień magnetyczny Poprzez Przekrój obszar do obszaru tego przekroju.

W międzynarodowym układzie jednostek jednostką indukcji jest tesla (T).

Obwód magnetyczny to zbiór ciał lub obszarów przestrzeni, w których koncentruje się pole magnetyczne.

Strumień magnetyczny (strumień indukcji magnetycznej) jest wielkością fizyczną wyznaczaną przez iloczyn wielkości wektora indukcji magnetycznej przez pole powierzchni płaskiej i cosinus kąta między wektorami normalnymi do powierzchni płaskiej / kąta między wektorem normalnym a kierunek wektora indukcji.

W międzynarodowym układzie jednostek jednostką strumienia magnetycznego jest weber (Wb).
Twierdzenie Ostrogradskiego-Gaussa dla strumienia indukcji magnetycznej: strumień magnetyczny przez dowolną zamkniętą powierzchnię wynosi zero:

Prawo Ohma dla zamkniętego obwodu magnetycznego:

Przepuszczalność magnetyczna jest wielkością fizyczną charakteryzującą cechy magnetyczne substancja, która jest określona przez stosunek modułu wektora indukcji magnetycznej w ośrodku do modułu wektora indukcji w tym samym punkcie przestrzeni w próżni:

Siła pola magnetycznego jest wielkością wektorową definiującą i charakteryzującą pole magnetyczne i jest równa:

Moc amperowa- jest to siła działająca z pola magnetycznego na przewodnik przewodzący prąd. Elementarną siłę Ampera określa zależność:

Prawo Ampera: moduł siły działającej na mały odcinek przewodnika, przez który przepływa prąd, od strony jednolitego pola magnetycznego z indukcją tworzącą kąt z elementem

Zasada superpozycji: gdy w danym punkcie przestrzeni różnorodne źródła tworzą pola magnetyczne, których indukcje wynoszą B1, B2, .., to wynikowa indukcja pola w tym punkcie jest równa:

Zasada świdra lub zasada prawej śruby: jeżeli kierunek ruchu translacyjnego końcówki świdra podczas wkręcania pokrywa się z kierunkiem prądu w przestrzeni, to kierunek ruch obrotowyŚwider w każdym punkcie pokrywa się z kierunkiem wektora indukcji magnetycznej.

Prawo Biota-Savarta-Laplace'a: określa wielkość i kierunek wektora indukcji magnetycznej w dowolnym punkcie pola magnetycznego wytworzonego w próżni przez element przewodzący o określonej długości z prądem:

Ruch naładowanych cząstek w polu elektrycznym i magnetycznym Siła Lorentza to siła oddziałująca na poruszającą się cząstkę z pola magnetycznego:

Reguła lewej ręki:

  1. Należy ustawić lewą rękę tak, aby linie indukcji magnetycznej wchodziły w dłoń, a wyciągnięte cztery palce były zrównane z prądem, wówczas kciuk zgięty pod kątem 90° wskaże kierunek siły Ampera.
  2. Należy ustawić lewą rękę tak, aby linie indukcji magnetycznej wchodziły w dłoń, a cztery wyciągnięte palce pokrywały się z kierunkiem prędkości cząstki z dodatnim ładunkiem cząstki lub były skierowane w kierunku przeciwnym do prędkości cząstkę o ładunku ujemnym, wówczas kciuk zgięty pod kątem 90° wskaże kierunek siły Lorentza działającej na naładowaną cząstkę.

Jeżeli na poruszający się ładunek pól elektrycznych i magnetycznych działa wspólne działanie, wówczas wynikowa siła zostanie określona przez:

Spektrografy masowe i spektrometry masowe- są to przyrządy zaprojektowane specjalnie do dokładnych pomiarów względnych masy atomowe elementy.

Prawo Faradaya. Reguła Lenza

Indukcja elektromagnetyczna- jest to zjawisko polegające na tym, że w obwodzie przewodzącym znajdującym się w zmiennym polu magnetycznym pojawia się indukowany emf.

Prawo Faradaya: Pole elektromagnetyczne Indukcja elektromagnetyczna w konturze jest liczbowo równy i ma przeciwny znak do szybkości zmiany strumienia magnetycznego F przez powierzchnię ograniczoną tym konturem:

Prąd indukcyjny- jest to prąd powstający, gdy ładunki zaczną się poruszać pod wpływem sił Lorentza.

Reguła Lenza: prąd indukowany występujący w obwodzie zamkniętym ma zawsze taki kierunek, że strumień magnetyczny, który wytwarza w obszarze ograniczonym przez obwód, ma tendencję do kompensowania zmiany zewnętrznego pola magnetycznego, które spowodowało ten prąd.

Procedura wykorzystania reguły Lenza do określenia kierunku prądu indukcyjnego:

Pole wirowe- jest to pole, w którym linie napięcia są liniami zamkniętymi, których przyczyną jest wytwarzanie pola elektrycznego przez pole magnetyczne.
Praca wirowego pola elektrycznego podczas przemieszczania pojedynczego ładunku dodatniego wzdłuż zamkniętego nieruchomego przewodnika jest liczbowo równa wartości emf indukowanej w tym przewodniku.

Toki Fuko- są to duże prądy indukcyjne, które pojawiają się w masywnych przewodnikach ze względu na małą rezystancję. Ilość ciepła wydzielanego w jednostce czasu przez prądy wirowe jest wprost proporcjonalna do kwadratu częstotliwości zmian pola magnetycznego.

Samoindukcja. Indukcyjność

Samoindukcja- jest to zjawisko polegające na tym, że zmienne pole magnetyczne indukuje emf w samym przewodniku, przez który przepływa prąd, tworząc to pole.

Strumień magnetyczny Ф obwodu z prądem I wyznacza się:
Ф = L, gdzie L jest współczynnikiem indukcyjności własnej (indukcyjność prądu).

Indukcyjność jest wielkością fizyczną będącą cechą Samoindukowane emf, pojawiające się w obwodzie przy zmianie natężenia prądu, określa się przez stosunek strumienia magnetycznego przez powierzchnię ograniczoną przewodnikiem do natężenia prądu stałego w obwodzie:

W międzynarodowym układzie jednostek jednostką indukcyjności jest henr (H).
Sem samoindukcji określa się za pomocą:

Energię pola magnetycznego wyznacza się wzorem:

Wolumetryczna gęstość energii pola magnetycznego w ośrodku izotropowym i nieferromagnetycznym jest określana przez:

Encyklopedyczny YouTube

  • 1 / 5

    Podstawy elektrostatyki położyły prace Coulomba (choć dziesięć lat wcześniej te same wyniki, choć z jeszcze większą dokładnością, uzyskał Cavendish. Wyniki pracy Cavendisha przechowywano w archiwum rodzinne i ukazały się dopiero sto lat później); ostatnio znalezione prawo oddziaływania elektryczne umożliwiło Greenowi, Gaussowi i Poissonowi stworzenie matematycznie eleganckiej teorii. Najważniejszą częścią elektrostatyki jest teoria potencjału, stworzona przez Greena i Gaussa. Wiele badań eksperymentalnych nad elektrostatyką przeprowadził Rees, którego książki w przeszłości stanowiły główny przewodnik do badania tych zjawisk.

    Stała dielektryczna

    Znalezienie wartości współczynnika dielektrycznego K dowolnej substancji, współczynnika zawartego w prawie wszystkich wzorach, z którymi mamy do czynienia w elektrostatyce, można przeprowadzić na bardzo różne sposoby. Najczęściej stosowane metody są następujące.

    1) Porównanie pojemności elektrycznych dwóch kondensatorów o tej samej wielkości i kształcie, ale w jednym z nich warstwą izolacyjną jest warstwa powietrza, a w drugim - warstwa badanego dielektryka.

    2) Porównanie przyciągania pomiędzy powierzchniami kondensatora, gdy na te powierzchnie jest nadana pewna różnica potencjałów, ale w jednym przypadku pomiędzy nimi znajduje się powietrze (siła przyciągania = F 0), w drugim przypadku izolator cieczy testowej ( siła przyciągania = F). Współczynnik dielektryczny oblicza się ze wzoru:

    K = fa 0 fa . (\ Displaystyle K = (\ Frac (F_ (0)) (F)).)

    3) Obserwacje fal elektrycznych (patrz Oscylacje elektryczne) rozchodzących się wzdłuż przewodów. Zgodnie z teorią Maxwella prędkość propagacji fal elektrycznych wzdłuż przewodów wyraża wzór

    V = 1 K μ . (\ Displaystyle V = (\ Frac (1) (\ sqrt (K \ mu))).)

    gdzie K oznacza współczynnik dielektryczny ośrodka otaczającego drut, μ oznacza przenikalność magnetyczną tego ośrodka. Dla zdecydowanej większości ciał możemy przyjąć μ = 1 i dlatego się okazuje

    V = 1 K. (\ Displaystyle V = (\ Frac (1) (\ sqrt (K)}).)

    Zwykle porównuje się długości stojących fal elektrycznych, które powstają w częściach tego samego drutu znajdujących się w powietrzu i w badanym dielektryku (cieczy). Po określeniu długości λ 0 i λ otrzymujemy K = λ 0 2 / λ 2. Z teorii Maxwella wynika, że ​​gdy w dowolnej substancji izolacyjnej wzbudzone zostanie pole elektryczne, wewnątrz tej substancji zachodzą specjalne odkształcenia. Wzdłuż rur indukcyjnych ośrodek izolacyjny jest spolaryzowany. Powstają w nim przemieszczenia elektryczne, które można porównać do ruchów elektryczności dodatniej w kierunku osi tych rurek, a przez każdy przekrój rury przepływa ilość energii elektrycznej równa

    re = 1 4 π K. fa . (\ Displaystyle D = (\ Frac (1) (4 \ pi)) KF.)

    Teoria Maxwella umożliwia znalezienie dla nich wyrażeń siły wewnętrzne(siły napięcia i ciśnienia), które pojawiają się w dielektrykach, gdy jest w nich wzbudzone pole elektryczne. Kwestię tę po raz pierwszy rozważał sam Maxwell, a później bardziej szczegółowo Helmholtz. Dalszy rozwój teorii tego zagadnienia i ściśle z nią powiązanej teorii elektrostrykcji (czyli teorii uwzględniającej zjawiska zależne od występowania w dielektrykach specjalnych napięć, gdy jest w nich wzbudzone pole elektryczne) należy do prac Lorberga, Kirchhoff, P. Duhem, N. N. Schiller i kilku innych

    Warunki graniczne

    Skończmy streszczenie Najważniejszą częścią działu elektrostrykcji jest rozważenie kwestii załamania rur indukcyjnych. Wyobraźmy sobie dwa dielektryki w polu elektrycznym, oddzielone od siebie powierzchnią S, o współczynnikach dielektrycznych K 1 i K 2.

    Niech w punktach P 1 i P 2 położonych nieskończenie blisko powierzchni S po obu jej stronach, wielkości potencjałów wyrażone są poprzez V 1 i V 2 , a wielkości sił doświadczanych przez jednostkę dodatniej elektryczności umieszczoną w te punkty poprzez F 1 i F 2. Wtedy dla punktu P leżącego na samej powierzchni S musi istnieć V 1 = V 2,

    re V 1 re s = re V 2 re s , (30) (\ Displaystyle (\ Frac (dV_ (1)) (ds)) = (\ Frac (dV_ (2)) (ds)), \ qquad (30)}

    jeśli ds oznacza nieskończenie małe przemieszczenie wzdłuż linii przecięcia płaszczyzny stycznej do powierzchni S w punkcie P z płaszczyzną przechodzącą przez normalną do powierzchni w tym punkcie i przez kierunek działającej w niej siły elektrycznej. Z drugiej strony tak powinno być

    K. 1 re V 1 re n 1 + K. 2 re V 2 re n 2 = 0. (31) (\ Displaystyle K_ (1) (\ Frac (dV_ (1)) (dn_ (1))) + K_ (2) ( \frac (dV_(2))(dn_(2)))=0.\qquad (31))

    Oznaczmy przez ε 2 kąt utworzony przez siłę F2 z normalną n2 (wewnątrz drugiego dielektryka), a przez ε 1 kąt utworzony przez siłę F 1 z tą samą normalną n 2. Następnie korzystając ze wzorów (31) i (30), znajdujemy

    t sol ε 1 t sol ε 2 = K. 1 K. 2 . (\ Displaystyle (\ Frac (\ operatorname (tg) (\ varepsilon _ (1))) (\ operatorname (tg) (\ varepsilon _ (2)}} = (\ Frac (K_ (1)) (K _ ( 2))).)

    Zatem na powierzchni oddzielającej od siebie dwa dielektryki siła elektryczna ulega zmianie w swoim kierunku, podobnie jak promień świetlny przechodzący z jednego ośrodka do drugiego. Ta konsekwencja teorii jest uzasadniona doświadczeniem.