Электрический заряд и его свойства

1.

ФИЗИКА

2. Лекция 3

• 1. Электростатическое поле. Закон Кулона
• 2. Напряженность и потенциал точечного
заряда . Принцип суперпозиции.
• 3.Постоянный ток. Закон Ома для
однородного и неоднородного участков цепи

3. 1.Электрический заряд и его свойства

• С современной точки зрения,
носителями зарядов являются
элементарные частицы.
• Электрический заряд – это
физическая
величина,
характеризующая
свойство
частиц или тел вступать в
электромагнитные
силовые
взаимодействия .
• Единица измерения заряда в СИ —
Кулон. Заряд в 1 Кл очень велик.

4. Свойства электрического заряда

Электрический заряд
квантуется (имеет
дискретную природу)
Элементарный зарядзаряд электрона
В природе существуют
два вида зарядовположительные и
отрицательные
Закон сохранения
электрического заряда
Q ne
n 1,2,3...
19
e 1,6 10 Кл
В 1897 г. Дж. Томсоном была открыта и
наименьшая
устойчивая
частица,
являющаяся носителем элементарного
отрицательного заряда.
n
q
i 1
i
const

5. Закон Кулона (1785г.)

Электростатика
рассматривает поле,
созданное неподвижными электрическими
зарядами.
• Силы
взаимодействия
неподвижных
зарядов
прямо
пропорциональны
произведению модулей зарядов и обратно
пропорциональны квадрату расстояния
между ними:
2
q1q2
F k 2
r
Нм
k
9 10
4 0
Кл2
1
9

6. С помощью крутильных весов измерялось взаимодействие между шариками, размеры которых много меньше расстояния между ними. Такие

Закон Кулона (1785г.)
С
помощью
крутильных
весов
измерялось взаимодействие
между шариками, размеры
которых
много
меньше
расстояния между ними.
Такие
заряженные
тела
принято
называть
точечными
зарядами.

7. Силы взаимодействия одноименных и разноименных зарядов

По
современным
представлениям
каждое
заряженное тело создает в
окружающем
пространстве
электрическое поле.
Главное
свойство
электрического
поля
–
действие на электрические
заряды с некоторой силой.

8. Принцип суперпозиции

Каким
будет
поле,
если оно создается
несколькими зарядами
?
справедлив
ПРИНЦИП СУПЕРПОЗИЦИИ
(наложения полей)
n
F Fi
i 1

9. Напряженность электрического поля

• Напряженностью электрического поля Е называют
физическую величину, равную отношению силы, с
которой поле действует на пробный заряд (точечный,
положительный), помещенный в данную точку
пространства, к величине этого заряда:
F
E
q0
Н В
Е
Кл м

10. Напряженность поля неподвижного точечного заряда Q

Qq0
F k 2
r
F
Q
E
k 2
q0
r

11. Силовые линии (линии напряженности)

• Графически электрическое поле изображается
силовыми линиями- это линии, касательные к
которым в каждой точке совпадают с вектором Е в
этих точках а густота линий выбирается так, чтобы
количество линий, пронизывающих единичную
поверхность,
перпендикулярную к
силовым линиям,
было равно модулю
вектора Е.

12. Принцип суперпозиции

Отражает независимость действия
электростатических полей
Если поле создается системой
зарядов, то напряженность
результирующего поля равна
векторной сумме
напряженностей , создаваемых
каждым зарядом
Е Ei
i

13. Потенциальная энергия

• Силы кулоновского взаимодействия являются
консервативными, поэтому можно ввести понятие
потенциальной энергии.
dA Fdl q( Edl ) qEdl cos
dl cos dr
kQq0
dA
dr
r2
B
A
dA
C

14. Потенциальная энергия

В поле точечного заряда Q работа по
перемещению заряда q0 из точки1 в точку 2:
2
2
kQq0
dr
1 r2
A12 2 dr kQq0 2 kQq0 ( )r
1
r
r
r
1
1
1 1
kQq0 ( ) Wп1 Wп 2
r1 r2
Потенциальная энергия заряда q0 в поле заряда Q
равна
kQq
WП
0
r

15. Потенциал

• Потенциал – это скалярная величина,
равная отношению потенциальной энергии,
которой обладает пробный заряд в
электростатическом поле, к величине этого
заряда
Wп
Дж
вольт В
q0
Кл
• Для поля точечного заряда:
Q
k
r

16. Потенциал

Работа сил поля по перемещению заряда q0 из точки 1 в
точку 2: A W W
12
П1
П 2 q0 ( 1 2 )
Потенциал численно равен работе сил эл. поля по
перемещению единичного положительного заряда
из данной точки поля на бесконечность.
Принцип суперпозиции:
Потенциал поля , создаваемого системой зарядов, равен
алгебраической сумме потенциалов полей, создаваемых
каждым из зарядов в отдельности.
A q
i
i

17. Эквипотенциальные поверхности

• Для графического изображения
распределения потенциала
используют эквипотенциальные
поверхности – поверхности,
– во всех точках которых
потенциал φ имеет одно
и то же значение,
– вектор напряженности
электрического поля Е всегда
нормален к эквипотенциальным поверхностям,
– Δφ между двумя любыми
эквипотенциальными
поверхностями одинакова

18. Связь между напряженностью и потенциалом

E Ex i E y j Ez k
d
Ex
dx
Е grad
d
Ey
dy
Вектор
напряженности
равен
градиенту
потенциала,
взятому
с
обратным знаком.
Вектор Е направлен в сторону
убывания потенциала.
d
Ez
dz

19. 3.Электрический ток

• Электрический ток – это
упорядоченное движение
электрических зарядов (в
металлах – электронов, в
электролитах – ионов)
• За направление
электрического тока принято
направление движения
положительных свободных
зарядов.

20. Сила тока

Сила тока- это количественная характеристика тока:
скалярная величина, равная заряду, прошедшему
через поперечное сечение в единицу времени.
dq
I
dt
Если ток не изменяется по величине и направлению,
то он называется постоянным.
q
I
t

21. Измерение силы тока

• Единицы измерения силы тока [I]=Aмпер.
• Для измерения силы тока используют амперметр
(миллиамперметр (mA), микроамперметр
(μA),
гальванометр). Его включают в разрыв цепи в том
месте, где нужно измерить силу тока.

22. Измерение тока и напряжения

Включение
амперметра (А)
и вольтметра (В)
в электрическую цепь

23. Плотность тока

• Плотность тока характеризует распределение
электрического заряда по сечению проводника . Это
векторная величина, направление которой совпадает с
направлением скорости упорядоченного движения
положительных зарядов.
v
dI
j
dS
j nq v
dS
nq

24. Электрическая цепь

В замкнутой электрической цепи свободные q
циркулируют по замкнутым траекториям
Если на q в цепи действуют
только силы ЭС поля
происходит
перемещение
зарядов q
приводит к
выравнивание
потенциалов
в замкнутой цепи должны быть какие-либо другие силы,
поддерживающие разность потенциалов
Для существования постоянного тока необходимо наличие
в цепи устройства, способного создавать и поддерживать
разность потенциалов за счет работы сил
Источник тока
неэлектростатического происхождения
Силы неэлектростатического происхождения,
действующие на свободные q
Сторонние силы
со стороны источников тока

25. Электродвижущая сила

ЭДС - физическая
величина, равная
отношению работы Aстор
сторонних сил при
перемещении заряда q
(от отрицательного
полюса источника тока к
положительному )
к величине этого заряда.
q Eстор dl q
2
А
стор
1
q Eкул dl qU
2
Aкул
1

26. Закон Ома для однородного участка цепи

• Участки цепи, на которых не действуют
сторонние силы (не содержащие источников
тока), называются однородными.
• Участки, включающие источники тока,
называются неоднородными.
• Закон Ома в интегральной форме:
сила тока в однородном проводнике
пропорциональна напряжению на
U
концах этого проводника
I
R

27.

• Законы Ома, Джоуля-Ленца
стали одними из важнейших
открытий в области
электричества.
• Открытый Г. Омом в 1826 г.
закон, согласно которого на
участке цепи I=U/R и для
замкнутой цепи I = ЭДС/(R + r), а
также закон Джоуля-Ленца Q =
I*U*t для количества тепла,
выделяющегося при
прохождении тока по
неподвижному проводнику за
время t, заметно расширили
понятия об электричестве и
магнетизме.

28. Сопротивление

• Величина сопротивления R зависит от формы и
размеров проводника, а также от свойств
материала, из которого он сделан. Для
цилиндрического проводника
l
R
S
• - удельное электрическое сопротивление,
определяется химической природой вещества и
условиями, в которых он находится, в частности,
температурой.

29. Удельное сопротивление

l – коэффициент пропорциональности –
R
удельное сопротивление
S
Служит характеристикой вещества,
= f(вещества) из которого изготовлен проводник
1 Ом·м – удельное сопротивление
проводника площадью S=1 м2,
длиной 1 м2, с сопротивлением 1 Ом
[ρ] = Ом·м
Область изменений ρ для различных материалов:
Диэлектрики
1016
Полупроводники
108
•кварц:
=1014–1015 Ом м
•парафин: = 3 1018 Ом м
Проводники
10-6 10-8
•серебро:
= 1,6 10–8 Ом м
•медь:
= 1,7 10–8 Ом м
•алюминий: = 2,6 10–8 Ом м
ρ, Ом·м

30. Закон Ома для неоднородного участка цепи

А12 Акул Астор q ( 1 2 ) q
A12
U12
1 2
q
U12
1 2 12
I
R 12
R12
• Закон Ома для замкнутой цепи:
I
R12
I кз
r
R r

31. Соединение проводников

Последовательное соединение
I1 I 2 I
U1 IR1
U U1 U 2 I ( R1 R2 ) IR
n
R Ri
i 1

32. Соединение проводников

Параллельное соединение
U1 U 2 U
I I1 I 2
U
I1
R1
U
I2
R2
1 1
1
R R1 R2
n
1
1
R i 1 Ri

33. Закон Ома в дифференциальной форме

dS
j
dl
j E,
1
удельная проводимость

34. Сверхпроводимость

1911 г.
Сверхпроводимость
ВТСП
Суть явления:
При определенной Tкр
удельное сопротивление
скачком ↓ до нуля
Tкр= f(вещества):
Зависимость
удельного сопротивления ρ
от температуры T
при низких температурах
проводник
для ртути
Tкр=4,1 К
для алюминия Tкр=1,2 К
для олова
Tкр=3,7 К
Вещества
состоянии
свойствами:
в
сверхпроводящем
обладают
особыми
способность длительное время
(многие
годы)
поддерживать
без
затухания
электрический
ток,
возбужденный
в сверхпроводящей цепи
сверхпроводник
1988 г. – обнаружена
высокотемпературная
сверхпроводимость (ВТСП):
создано керамическое
соединение с Ткр = 125 К

35. Закон Джоуля-Ленца

1840 г.
Закон Джоуля-Ленца
Установили экспериментально
независимо друг от друга
Если ток проходит по неподвижному
металлическому проводнику, то вся
работа тока идет на его нагревание
Закон сохранения энергии
для однородного участка цепи
2
U
dQ
dt
R
dQ IUdt
dQ RI dt
2
dQ dA
Q – количество теплоты,
выделяемое
в цепи при прохождении тока