Электростатика. Электрические заряды

1.

2.

Электрические заряды
Электростатика – раздел физики, в котором изучается
взаимодействие неподвижных электрических зарядов
(электростатическое взаимодействие).
Электрический
заряд
–
физическая
величина,
характеризующая способность тел и частиц к электрическим
взаимодействиям.

3.

Электризация - это
- явление, при котором телу
сообщается электрический заряд;
- оба тела электризуются

4.

Положительный и отрицательный заряды

5.

Виды электризации
Электризация трением
Электризация через
влияние
Электризация под
действием света
Ударом

6.

Электрический заряд
- физическая величина;
- обозначается буквой – q;
- единица измерения - [Кл]
Существует два рода электрических зарядов, условно
названных положительными и отрицательными.
Заряды могут передаваться (например, при
непосредственном контакте) от одного тела к
другому.
В отличие от массы тела электрический заряд не
является неотъемлемой характеристикой данного
тела.
Одноименные заряды отталкиваются, разноименные
– притягиваются.

7.

Электрически замкнутая система
Систему, через границы которой не могут пройти заряды
(заряженные частицы), называют электрически
изолированной (закрытой, замкнутой). Незаряженные
частицы, в том числе и фотоны (кванты), могут входить
и выходить через границу такой системы.

8.

Закон сохранения электрического заряда
Полный электрический заряд замкнутой (изолированной,
закрытой) физической системы, равный алгебраической
сумме зарядов слагающих систему элементарных частиц
(для обычных макроскопических тел
– протонов и
электронов), строго сохраняется во всех взаимодействиях и
превращениях этой системы.
q1 + q2 + q3 + ... +qn = const.
Применения:
Ядерные реакции
Реакции диссоциации
239
239
0
92 U 93 Np 1e
NaCl Na +Cl
+
-

9.

Электрические заряды в атомах

10.

Электрические заряды в атомах

11.

Опыты Милликена по определению заряда
электрона (1909 – 1916 гг)
Металлические пластины были противоположно заряжены.
Масло впрыскивалось через отверстие в верхней пластине.
При распылении капельки масла заряжались, и, попадая в
конденсатор, двигались под действием силы тяжести и
приложенного
электрического
поля.
Освещением
рентгеновскими лучами можно было слегка ионизировать
воздух между пластинами конденсатора и изменять заряд
капли. Учёт вязкости воздуха позволил Милликену вычислить
величину минимального электрического заряда.

12.

Опыты Милликена по определению заряда
электрона

13.

14.

Закон Кулона
Опыт Кулона
F ~ q1 q2
1
F~ 2
r

15.

Закон Кулона
Силы взаимодействия точечных неподвижных зарядов
прямо пропорциональны произведению модулей зарядов и
обратно пропорциональны квадрату расстояния между ними
q1 q2
F k
r2
Силы взаимодействия между точечными зарядами - центральные

16.

17.

Диэлектрическая проницаемость среды
Влияние той или иной среды на величину электрического
взаимодействия между зарядами можно оценить, если
сравнить силы взаимодействия между зарядами в
отсутствие среды (F0) и при её наличии (F). Назовём
отношение сил диэлектрической проницаемостью
среды и обозначим эту величину ε:
ε = F0 /F
Диэлектрическая проницаемость ε – безразмерная величина.
Для пустоты (вакуума) ε = 1, для воздуха при 0 oС и
атмосферном давлении 1,000594, для водяного пара 1,0126,
для керосина 2, у сухой бумаги 2÷2,5, у эбонита – 2,7÷2,9, у
стекла – 5÷16, у этилового спирта – 26,8, у воды – 81.

18.

Рационализованная форма
Закон Кулона в среде в системе СИ:
1 1 q1q2
1 1 q1q2
F
2
2
4 0 r
4 a r
где произведение ε0·ε ≡ εа –
абсолютная
диэлектрическая
проницаемость данной среды.

19.

Аналогии между механическими и
электрическими взаимодействиями
Механика
Электростатика
Закон всемирного
тяготения Ньютона
Закон взаимодействия
электрических зарядов
Кулона
m1m2
F G 2
r
q1q2
F k 2
r

20.

Напряженность
электрического поля.
Если поочередно помещать в одну и ту же точку
поля небольшие заряженные тела и измерять силы,
то обнаружится, что сила, действующая на заряд со
стороны поля, прямо пропорциональна этому
заряду.
Отношение силы, действующей на помещаемый в данную точку
поля заряд, к этому заряду для каждой точки поля не зависит от
Напряженность
поля в данной
точке равна
заряда и может рассматриваться
как характеристика
поля.
отношению
силы, с которой поле действует на
Эту характеристику называют напряженностью электрического
поля.
точечный
заряд, помещенный в эту точку, к этому
Подобно силе, напряженность поля – векторная величина; ее
заряду.
обозначают буквой Е.

21.

F Н Из формулы
видно,
что если
q>0 то Е F
E
q Кл q<0 то E F
F k
q1 q2
r
2
F k q1
E
2
q2
r

22.

Напряженность электрического
поля.
характеризует электрическое поле
в каждой точке пространства;
2. не зависит от внесённого заряда в
данное поле.
3. зависит от заряда, который создал
это поле.
1.

23.

По закону Кулона этот заряд будет действовать на
положительный заряд q с силой, равной
Модуль напряженности поля точечного заряда q0 на
расстоянии r от него равен:
Вектор напряженности в любой точке электрического
поля направлен вдоль прямой, соединяющей эту точку
и заряд и совпадает с силой, действующей на точечный
положительный заряд, помещенный в данную точку.

24.

Напряженность электрического
поля.
Напряжённость электрического
поля показывает с какой силой
электрическое поле действует на
единичный положительный заряд,
внесённый в данное электрическое
поле.

25.

Графическое изображение
электрического поля
Силовые линии электрического поля - воображаемые
линии, касательные к которым в каждой точке
совпадают с направлением вектора напряженности
электрического поля в этой точке.
Силовые линии электрического поля начинаются на
положительных и заканчиваются на отрицательных
зарядах.
Силовые линии электрического поля не
пересекаются.
Напряжённость электрического поля - это векторная
характеристика каждой точки поля (точечная силовая
характеристика электрического поля).

26.

Силовые линии
Электрическое поле точечного заряда
неоднородно.

27.

*заряды равны по абсолютной величине

28.

Поле заряженного шара
Е
+ + +
+
+
r +
+
+
+
+ + +
E =k
|q0|
r2
Вне шара силовые линии
распределяются так же, как
силовые линии точечного заряда.
На расстоянии R >> r от
центра шара напряженность поля
определяется
той же формулой,
что и напряженность поля
точечного заряда, помещенного в
центре сферы
Е
+
E =k
Внутри проводящего шара: R < r напряженность поля равна нулю
|q0|
r2

29.

Принцип суперпозиции полей
Если в данной точке пространства различные заряженные
частицы создают электрические поля, напряженности которых Е1,
Е2, Е3, …, то результирующая напряженность поля в этой точке равна
Е = Е1+ Е2 + Е3 + …..
Е1
Е
Е2
q1> 0
q2< 0
Т. о., результирующая напряженность – это геометрическая сумма
напряженностей полей, которые существуют в данной точке

30.

31.

ПРОВОДНИКИ
Проводники – это вещества, в которых
имеются свободные носители электрических
зарядов.
К проводникам относятся:
- металлы;
- жидкие растворы и расплавы электролитов;
- плазма.

32.

Проводники
Главное отличие проводников от диэлектриков -
наличие свободных зарядов, которые могут
перемещаться под действием кулоновских сил.
Это свойство проводников позволяет объяснить их
поведение в электрическом поле.
+ -- + - ++- - + + - + -+

33.

Проводники в электростатическом
поле
Евнеш
При внесении проводника в
электростатическое
поле
свободные
заряды
в
нем
приходят
в
движение
в
направлении против силовых
линий.
В результате на одном конце
проводника возникает избыток
отрицательного заряда, на другом
его недостаток, а значит избыток
положительного заряда.

34.

Проводники в электростатическом
поле
Эти заряды создадут свое
собственное
электрическое
поле,
которое
направлено
против внешнего. Внутреннее
поле
ослабит
внешнее.
Свободные электроны будут
продолжать
двигаться
и
увеличивать внутреннее поле до
тех пор, пока оно полностью не
погасит внешнее.
Евнеш
+
Евнутр
+
+

35.

Проводники в электростатическом
поле
Евнеш
+
Евнутр
+
+
+
Поле внутри
проводника,
помещенного
в
электростатическое
поле, отсутствует.

36.

Явление электростатической индукции
В разделении зарядов и заключается явление
электростатической индукции. Благодаря этому явлению
осуществляется электростатическая защита. Если какойлибо прибор необходимо защитить от внешних электрических
полей, то его помещают в проводящую оболочку.

37.

Напряженность и потенциал
на поверхности
• Если
напряженность электрического поля будет
направлена под углом к поверхности проводника, то
под действием составляющей этого поля, параллельной
поверхности, заряды двигались бы непрерывно, что
противоречит закону сохранения энергии.
• Отсюда
следует
вывод
напряженность
электростатического
поля
перпендикулярна
поверхности проводника. Также известно, что
эквипотенциальные поверхности перпендикулярны
силовым линиям, поэтому поверхность проводника
является эквипотенциальной.

38.

Диэлектрики в
электростатическом поле
Диэлектрики – это материалы, в которых нет свободных
электрических зарядов. Поэтому диэлектрики не могут
проводить электрический ток.
К диэлектрикам относятся воздух, стекло, эбонит, слюда,
фарфор, сухое дерево.
Диэлектрики
полярные
+
неполярные
+

39.

Полярные диэлектрики
В полярных диэлектриках молекулы являются
диполями, в которых центры распределения
положительных и отрицательных зарядов не
совпадают (спирт, вода, аммиак и др.)

40.

Неполярные диэлектрики
Неполярные диэлектрики состоят из атомов
или
молекул,
у
которых
центры
распределения
положительных
и
отрицательных зарядов совпадают (инертные
газы, водород, кислород, полиэтилен и др.)

41.

Поляризация диэлектриков
• Если
диэлектрик
поместить
во
внешнее
электрическое поле, то происходит поляризация
диэлектрика. При этом процессе молекулы
диэлектрика ориентируются по внешнему
электрическому полю. На противоположных
поверхностях диполя появляются связанные заряды.
• Диэлектрическая проницаемость, о которой мы
говорили раньше, характеризует способность
диэлектрика к ослаблению внешнего поля.

42.

Поляризация полярных
диэлектриков
Наряду с
ориентирующим
действием
кулоновских сил,
дипольные
молекулы
находятся под
влиянием
теплового
движения.
Тепловое движение
стремится
нарушить

43.

Поляризация неполярных
диэлектриков
• Когда
неполярный диэлектрик помещают во
внешнее
электрическое
поле,
происходит
перераспределение зарядов внутри молекул таким
образом, что в целом в диэлектрике появляется
собственное поле.
• В отличие от полярных диэлектриков, здесь нет
влияния теплового движения на процесс
поляризации.

44.

Поляризация неполярных
диэлектриков

45.

Диэлектрическая проницаемость среды
– это физическая величина, показывающая, во сколько
раз модуль напряженности электрического поля
внутри однородного диэлектрика меньше модуля
напряженности поля в вакууме.
Е
ε= 0
Е
Ео -напряжённость электрического поля в вакууме
Е - напряжённость электрического поля в
диэлектрике
-диэлектрическая проницаемость среды

46.

47.

При перемещении пробного заряда q в
электрическом поле электрические силы
совершают работу. Эта работа при малом
перемещении равна:

48.

Работа сил электростатического поля при
перемещении заряда из одной точки поля в
другую не зависит от формы траектории, а
определяется только положением
начальной и конечной точек и величиной
заряда.
Работа сил электростатического поля при
перемещении заряда по любой замкнутой
траектории равна нулю.

49.

Физическую величину, равную отношению
потенциальной энергии электрического
заряда в электростатическом поле к
величине этого заряда, называют
потенциалом φ электрического поля:

50.

Потенциал φ является энергетической
характеристикой электростатического
поля.
В Международной системе единиц (СИ) единицей
потенциала является вольт (В).
1 В = 1 Дж / 1 Кл.

51.

Работа A12 по перемещению электрического
заряда q из начальной точки (1) в конечную
точку (2) равна произведению заряда на
разность потенциалов (φ1 – φ2) начальной
и конечной точек:
A12 = Wp1 – Wp2 = qφ1 – qφ2 = q(φ1 – φ2).
А12/q - разность потенциалов
A = qU

52.

Эквипотенциальные поверхности
(поверхности равного потенциала)
1) во всех точках потенциал φ имеет
одно и то же значение,
2) вектор напряженности
электрического поля Е всегда
перпендикулярен к
эквипотенциальным
поверхностям,
3) ∆φ между двумя любыми
эквипотенциальными
поверхностями одинакова
(следовательно, густота эквипотенциальных поверхностей
характеризует значение вектора Е в разных точках).

53.

Для точечного заряда
φ = const.
q
4 0 r
q
r
4 0
r = const.

54.

Для однородного поля эквипотенциальные
поверхности – параллельные линии.
φ1
φ2
φn
Е

55.

Примеры различных эквипотенциальных
поверхностей
а
б
Эквипотенциальные поверхности
поля двух равных одноименных зарядов (а) и диполя (б).
Пунктиром показаны силовые линии.

56.

Единицы электроемкости

57.

Определение:
физическая величина, которая характеризует
способность двух проводников накапливать
электрический заряд.
Электроемкостью системы из двух проводников
называется физическая величина, определяемая как
Формула:
отношение
заряда q одного из проводников к разности
потенциалов Δφ между ними

58.

[С] = 1Ф (фарад)
! Электроемкость двух проводников численно равна
единице, если при сообщении им зарядов +1 Кл и -1
Кл между ними возникает разность потенциалов 1В.

59.

Количественно характеризует
способность системы проводников
накапливать электрический заряд;
Величина электроемкости зависит от
формы и размеров проводников, от
свойств диэлектрика, разделяющего
проводники и от взаимного расположения
проводников.
ЭЛЕКТРОЕМКОСТЬ
не зависит от q и U

60.

61.

Система проводников, разделенных
диэлектриком, толщина которого мала по
сравнению с линейными размерами проводников.
Проводники, образующие
конденсатор, называются
его обкладками.

62.

Обозначение
Обозначение
по ГОСТ 2.728-74
Описание
Конденсатор постоянной
ёмкости
Поляризованный
конденсатор
Подстроечный конденсатор
переменной ёмкости

63.

64.

65.

Напряжение на обкладках всех
конденсаторов одно и то же:
U1=U2=U3=…=Un=U;
Суммарный заряд батареи равен сумме
зарядов на каждом из конденсаторов:
q=q1+q2+q3+…+qn;
Емкость батареи равна сумме емкостей всех
конденсаторов: С=С1+С2+С3+…+Сn

66.

67.

Заряд батареи равен заряду каждого из
конденсаторов: q1=q2=q3=…=qn=q;
Напряжение батареи равно сумме напряжений
на всех конденсаторах:
U=U1+U2+U3+…+Un;
Электроемкость батареи конденсаторов можно
определить из соотношения:

68.

69.

Вывод формулы энергии заряженного
конденсатора
+q
Е
-q
E
W p qd
2
Е
2
Напряженность созданная одной
пластиной
Ed U
q
C
U
q CU
q
U
C
qU
Wp
2
CU 2
Wp
2
2
q
Wp
2С

70.

Физический смысл
Энергия конденсатора равна работе, которую
совершит электрическое поле при сближении
пластин конденсатора вплотную,
или равна работе по разделению
положительных и отрицательных зарядов,
необходимой при зарядке конденсатора.

71.

72.

Электрический ток – упорядоченное движение
заряженных частиц.
Для существования электрического тока необходимы следующие
условия:
1. Наличие свободных электрических зарядов в проводнике;
2. Наличие внешнего электрического поля для проводника.

73.

dq
I – сила тока численно равна заряду,
проходящему
через поперечное сечение проводника
dt
за единицу времени.
В СИ: [1А = 1Кл / 1с].
Если сила тока не меняется, то такой ток называют
постоянным.
Движение носителей заряда одного знака эквивалентно
движению носителей противоположного знака в
противоположном направлении.
Если ток создается двумя видами носителей:
dq dq
I
dt
dt

74.

+
F
Е
-
I q n S
-е
0
I сила тока
q заряд каждой частицы
0
N
n концентрация частиц
V
скорость частиц
S площать поперечного сечения

75.

Амперметр
Амперметр- прибор для
измерения силы тока.
Амперметр включают в
цепь последовательно с
тем прибором, силу тока в
котором измеряют.

76.

Правила работы с амперметром
Включается амперметр в цепь последовательно с
тем прибором, силу тока в котором измеряют.
Включение амперметра производится с помощью
двух клемм, или двух зажимов: (+) и (-). Клемму со
знаком (+) нужно обязательно соединять с
проводом, идущим от (+) полюса источника.
в случае "зашкаливания" — выхода стрелки за пределы
шкалы — немедленно разомкнуть цепь!
Беречь прибор от резких ударов и тряски, пыли.

77.

Определение цены деления амперметра

78.

СОПРОТИВЛЕНИЕ
Физическая
величина,
характеризующая
свойства
проводника
препятствовать
протеканию электрического тока в
этом
проводнике,
называется
электрическим сопротивлением.
Проводник имеет сопротивление в 1 Ом, если
при разности потенциалов 1В сила тока в
нем 1А.

79.

В чем причина сопротивления?
Электроны взаимодействуют с
ионами кристаллической
решетки металла. При этом
замедляется упорядоченное
движение электронов и сквозь
поперечное сечение
проводника проходит за 1 с
меньшее их число.
Соответственно уменьшается и
переносимый электронами за 1
с заряд, т. е. уменьшается сила
тока.

80.

Сборка электрической цепи для
вывода закона Ома

81.

1. Сила тока в проводнике прямо
пропорциональна напряжению на
концах этого проводника.
0,9
0,8
I, А
0,7
1,5
0,1
0,6
4,5
0,3
9
0,6
Сила тока
U, В
0,5
0,4
0,3
12
0,8
0,2
0,1
0
0
2
4
6
8
Напряжение
10
12
14

82.

2. Сила тока в проводнике обратно
пропорциональна сопротивлению
проводника.
1,6
1,4
1,2
I, А
3
1,5
9
0,5
15
0,3
1
Сила тока
R, Ом
0,8
0,6
0,4
0,2
0
0
2
4
6
8
10
Сопротивление
12
14
16

83.

Закон Ома
Сила тока в участке цепи прямо пропорциональна
напряжению на концах этого участка и обратно
пропорциональна его сопротивлению.

84.

Сопротивление проводника из данного вещества длиной 1 м и
площадью поперечного сечения
называется удельным
1м 2
сопротивлением этого вещества.
- удельное сопротивление
l
R S
R
S
l
1Ом 1м
1Ом * м
1м
l длина проводника
S площадь поперечного сечения проводника
удельное сопротивление проводника
Ом мм
RS
;
l
м
2
l
R
S
2

85.

86.

Последовательное соединение - это соединение,
при котором конец одного проводника соединяется с
началом другого.

87.

Сила тока
Iобщ = I1 = I2
Напряжение
Uобщ = U1 + U2
Сопротивление
Rобщ = R1 + R2
А
R1
R2

88.

Недостатки и достоинства
последовательного соединения проводников
При выходе из строя
одного из элементов
соединения отключаются и
остальные
Используется для
включения
дополнительного
сопротивления в цепь
для снижения общего
тока.

89.

При параллельном соединении проводников их начала
и концы имеют общие точки подключения к источнику
тока.

90.

Законы параллельного
соединения проводников
При параллельном соединении напряжения U1 и U2 на всех участках
цепи одинаковы:
U U U
1
2
Сумма токов I1 и I2, протекающих по обоим проводникам, равна току в
неразветвленной цепи:
I I1 I 2
Записывая на основании закона Ома:
I1
U
U
U
, I2
иI ,
R1
R2
R
где R – электрическое сопротивление всей цепи, получим
1 1
1
R R1 R2
При параллельном соединении проводников величина, обратная общему
сопротивлению цепи, равна сумме величин, обратных сопротивлениям
параллельно включенных проводников.

91.

Преимущества и недостатки
параллельного соединения
Пример параллельного соединения: лампы в
кабинете.
Преимущество: Параллельное – при
перегорании одной лампы, остальные горят.
Недостаток: При включении лампы с
меньшим возможным напряжением она
перегорит.

92.

Последовательное
соединение
Параллельное
соединение
Схема
R1
Сила тока
Напряжение
Сопротивление
R2
R1
R2
I I1 I2
U U1 U2
I I1 I2
U U1 U2
R R1 R 2
1 1
1
R R1 R 2
R nR 1
R1 R 2
R
R1 R 2
R1
R
n

93.

94.

Работа электрического тока
При прохождении электрического тока по
проводнику, электрическое поле заставляет
заряженные частицы двигаться упорядоченно,
следовательно оно совершает работу.
Работа электрического тока показывает какую
работу совершает электрическое поле по перемещению
заряда.

95.

Работа электрического тока
A
U
q
A U q
q I t
A U I t
Единица измерения работы в СИ: Джоуль
1 Дж 1В 1А 1с

96.

Работа электрического тока
A U I t
I
U
R
U I R
А I R t
U
A 2 t
R
2

97.

Мощность электрического тока
A.
P
t
A U I t
U
•I•t
Р= t
Р = U• I
Единица измерения мощности в СИ: Ватт
1 Вт = 1 В•1 А
1 кВт = 1000 Вт

98.

Мощность электрического тока
Р U I
A
Р
t
Р I R
2
2
U
Р
R

99.

Приборы для измерения
мощности:
ваттметр
Вольтметр
Амперметр

100.

ПРОВОДНИК С ТОКОМ
НАГРЕВАЕТСЯ
ВЫДЕЛЯЕТ КОЛИЧЕСТВО ТЕПЛОТЫ – Q
ЗАКОН ДЖОУЛЯ ЛЕНЦА
1841г
1842г
Джоуль
Джеймс Прескотт
Ленц Эмилий
Христианович

101.

ЗАКОН ДЖОУЛЯ - ЛЕНЦА
Количество теплоты, выделяемое
проводником с током равно
произведению квадрата силы тока,
сопротивления проводника и
времени.

102.

Формы записи закона Джоуля - Ленца
Q I R t
2
Q U I t
2
U
Q
t
R

103.

104.

Любой источник тока характеризуется электродвижущей
силой (ЭДС). Так, на круглой батарейке для карманного
фонарика написано: 1,5 В. Что это значит?

105.

Сторонние силы приводят в движение заряженные частицы
внутри всех источников тока: в генераторах на
электростанциях,
в гальванических элементах,
аккумуляторах и
т.д.
Генератор
переменног
о тока,
Россия
Гальванические
элементы,
СССР
Аккумулятор
, Тюмень

106.

Природа сторонних сил
Источники тока
Сторонняя сила
Генератор электростанции
Сила, действующая со
стороны магнитного поля
на электроны в
движущимся проводнике
Гальванический элемент
(элемент Вольта)
Химические силы,
растворяющие цинк в
растворе серной кислоты

107.

Электродвижущая сила
Действие сторонних сил характеризуется важной
физической величиной, называемой электродвижущей
силой (сокращённо ЭДС).
Электродвижущая сила в замкнутом контуре
представляет собой отношение работы сторонних сил
при перемещении заряда вдоль контура к заряду: