Конспект лекций по учебной дисциплине "Естествознание: Физика" по разделу "Электростатика"

МУНИЦИПАЛЬНОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО   ОБРАЗОВАНИЯ

 «ВОЛЖСКИЙ ИНСТИТУТ ЭКОНОМИКИ, ПЕДАГОГИКИ И ПРАВА»

  Волжский социально-педагогический колледж

Естествознание:Физика (10кл., 1 курс СПО)   

Конспект лекций (раздаточный материал) по разделу

 «Электростатика» 

Автор: Бондаренко Людмила Валентиновна

Место работы: Волжский социально-педагогический колледж – структурное подразделение ВИЭПП

Должность: Преподаватель физики и астрономии

Электростатика.
Наука о свойствах и закономерностях поведения электромагнитного поля, осуществляющего взаимодействие между электрическими зарядами, называется электродинамикой. Раздел электродинамики, изучающий неподвижные электрические заряды и их взаимодействие называется электростатикой. Все тела построены из мельчайших частиц, которые неделимы на более простые и поэтому называются элементарными. Все элементарные частицы имеют массу и благодаря этому притягиваются друг к другу согласно закону всемирного тяготения. С увеличением расстояния между частицами сила тяготения убывает обратно пропорционально квадрату этого расстояния. Большинство элементарных частиц, хотя и не все, кроме того, обладают способностью взаимодействовать друг с другом с силой, которая также убывает обратно пропорционально квадрату расстояния, но эта сила в огромное число раз превосходит силу тяготения. В атоме водорода,  электрон притягивается к ядру (протону) с силой, в 1039 раз превышающей силу гравитационного притяжения.  Если частицы взаимодействуют друг с другом с силами, которые убывают с увеличением расстояния так же, как и силы всемирного тяготения, но превышают силы тяготения во много раз, то говорят, что эти частицы имеют электрический заряд. Сами частицы называются заряженными. Бывают частицы без электрического заряда, но не существует электрического заряда без частицы.    Взаимодействия между заряженными частицами носят название электромагнитных. Электрический заряд определяет интенсивность электромагнитных взаимодействий, подобно тому как масса определяет интенсивность гравитационных взаимодействий. Физическая величина, являющаяся количественной мерой электромагнитного взаимодействия - электрический заряд Все тела обладают массой и поэтому притягиваются друг к другу. Заряженные же тела могут как притягивать, так и отталкивать друг друга. Этот важнейший факт, означает, что в природе есть частицы с электрическими зарядами противоположных знаков; в случае зарядов одинаковых знаков частицы отталкиваются, а в случае разных - притягиваются.    Заряд элементарных частиц - протонов, входящих в состав всех атомных ядер, называют положительным, а заряд электронов - отрицательным. Между положительными и отрицательными зарядами внутренних различий нет.. К частицам, не имеющим электрического заряда, относится нейтрон. Если элементарная частица имеет заряд, то его значение строго определено.  Существует минимальный заряд, называемый элементарным, которым обладают все заряженные элементарные частицы. Заряды элементарных частиц различаются лишь знаками. Отделить часть заряда, например у электрона, невозможно.
Единицу заряда в СИ - кулон устанавливают с помощью единицы силы тока. Один кулон (1 Кл) - это заряд, проходящий за 1 с через поперечное сечение проводника при силе тока 1 А.  Заряд 1 Кл - очень большой в электростатике. Обычные заряды мкКл, нКл.  Минимальный заряд, существующий в природе, - это заряд элементарных частиц. В единицах СИ модуль этого заряда равен: е=1,6.10-19 Кл. Такой заряд имеет электрон (-), протон (+), другие заряженные элементарные частицы. Приборы для обнаружения заряда: электроскоп, электрометр
Макроскопическое тело заряжено электрически в том случае, если оно содержит избыточное количество элементарных частиц с каким-либо одним знаком заряда. Так, отрицательный заряд тела обусловлен избытком числа электронов по сравнению с числом протонов, а положительный - недостатком электронов. Для того чтобы получить электрически заряженное макроскопическое тело, т.е. наэлектризовать его, нужно отделить часть отрицательного заряда от связанного с ним положительного. Это можно сделать с помощью трения. Электризация - процесс сообщения телу электрического заряда. Вы знаете, что масса тел сохраняется. Сохраняется также и электрический заряд.     При электризации тел выполняется закон сохранения электрического заряда. Этот закон справедлив для системы, в которую не входят извне и из которой не выходят наружу заряженные частицы, т. е. для изолированной системы. В изолированной системе алгебраическая сумма зарядов всех частиц сохраняется. Если заряды частиц обозначить через q1, q2 и т. д., то Справедливость закона сохранения заряда подтверждают наблюдения над огромным числом превращений элементарных частиц. Этот закон выражает одно из самых фундаментальных свойств электрического заряда. Причина сохранения заряда до сих пор неизвестна.    Электрический заряд во Вселенной сохраняется. Полный электрический заряд Вселенной, скорее всего, равен нулю; число положительно заряженных элементарных частиц равно числу отрицательно заряженных элементарных частиц.
Закон Кулона
Основной закон электростатики был экспериментально установлен Шарлем Кулоном в 1785 г. и носит его имя.    Если расстояние между телами во много раз больше их размеров, то ни форма, ни размеры заряженных тел существенно не влияют на взаимодействия между ними. В таком случае заряженные тела считают точечными зарядами. Вспомните, что и закон всемирного тяготения тоже сформулирован для тел, которые можно считать материальными точками.    Сила взаимодействия заряженных тел зависит от свойств среды между заряженными телами. Пока будем считать, что взаимодействие происходит в вакууме. Опыт показывает, что воздух очень мало влияет на силу взаимодействия заряженных тел, она оказывается почти такой же, как в вакууме. С помощью крутильных весов удалось установить, как взаимодействуют друг с другом неподвижные заряженные тела.
Опыты Кулона привели к установлению закона, поразительно напоминающего закон всемирного тяготения. Сила взаимодействия двух точечных зарядов в вакууме прямо пропорциональна произведению модулей зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Эту силу называют кулоновской.    Если обозначить модули зарядов через |q1| и |q2|, а расстояние между ними через r, то закон Кулона можно записать в следующей форме: где k - коэффициент пропорциональности, численно равный силе взаимодействия единичных зарядов на расстоянии, равном единице длины. Его значение зависит от выбора системы единиц. В системе СИ его значение равно k = 9·109 Н·м2/Кл2 Диэлектрическая проницаемость среды (ε).  Характеризует электрические свойства среды. Для любой среды ε >1. Зависит только от свойств среды. Диэлектрическая проницаемость показывает во сколько раз сила взаимодействия двух точечных неподвижных зарядов в вакууме больше их сил взаимодействия в среде.      Полная форма записи закона Кулона. Электрическое поле. Напряженность электрического поля.
Закон Кулона не объясняет механизм передачи электромагнитного взаимодействия: близкодействие (непосредственный контакт) или дальнодействие? Теория близкодействия - определяет взаимодействие между заряженными телами с помощью промежуточной среды (посредством электрического поля - Фарадей, Максвелл). Теория действия на расстоянии - взаимодействие между заряженными телами, передается мгновенно на любые расстояния через пустоту. На опыте скорость конечна (скорость света с=3.108м/с).  Для объяснения вводится понятие электрического поля (впервые - М. Фарадей) - особый вид материи, существующий вокруг любого электрического заряда и проявляющий себя в действии на другие заряды. Свойства электрического поля:  существует вокруг электрического заряда, материально. Основное свойство - действие с силой на электрический заряд, внесенный в него.
Пусть заряд  q0 создает поле, в произвольную точку которого мы помещаем положительный заряд  q. Во сколько бы раз мы не изменяли заряд q  в этой точке, сила взаимодействия изменится во столько же раз (з-н Кулона). Поэтому отношение силы, действующей на помещаемый в данную точку поля заряд, к этому заряду для каждой точки поля не зависит от заряда и может рассматриваться как характеристика поля. Эту характеристику называют напряженностью электрического поля. Напряженность  - силовая характеристика электрического поля. Подобно силе, напряженность поля – векторная величина; ее обозначают буквой . Если помещенный в поле заряд обозначить через q,  то напряженность будет равна: Напряженность поля в данной точке равна отношению силы, с которой поле действует на точечный заряд, помещенный в эту точку, к этому заряду.   Отсюда сила, действующая на заряд q со стороны электрического поля, равна:   Направление вектора  совпадает с направлением силы, действующей на положительный заряд, и противоположно направлению силы, действующей на отрицательный заряд.  Т.е. вектор напряженности направлен от положительного заряда и к отрицательному. Единицы измерения напряженности в системе СИ
Напряженность поля точечного заряда. Найдем напряженность электрического поля, создаваемого точечным зарядом q0. По закону Кулона этот заряд будет действовать на положительный заряд q с силой, равнойМодуль напряженности поля точечного заряда q0 на расстоянии r от него равен:
Принцип суперпозиции полей:  если в данной точке пространства различные заряженные частицы создают электрические поля, напряженности которых  и т. д., то результирующая напряженность поля в этой точке равна сумме напряженностей этих полей: причем напряженность поля, создаваемая отдельным зарядом, определяется так, как будто других зарядов, создающих поле, не существует. Т.о. напряженности складываются геометрически:
Графическое представление электростатического поля.
Электрическое поле не действует на органы чувств. Его мы не видим. Электрическое поле изображают графически с помощью силовых линий (линий напряженности). Силовые линии -непрерывные (воображаемые) линии, касательные к которым в каждой точке, через которую они проходят, совпадают по направлению с векторами напряженности.
Свойства:  1.Не замкнуты. Начинаются на положительных и заканчиваются на отрицательных зарядах. 2. Непрерывны и не пересекаются. 3.Густота линий тем больше, чем больше напряженность. Т.е. напряженность поля прямо пропорциональна количеству силовых линий, проходящих через единицу площади поверхности. Электрическое поле, напряженность которого одинакова во всех точках пространства, называется однородным. В ограниченной области пространства электрическое поле можно считать приближенно однородным, если напряженность поля внутри этой области меняется незначительно.    Однородное электрическое поле изображается параллельными линиями, расположенными на равных расстояниях друг от друга.
Проводники   в электростатическом поле.
Проводники- тела, через которые электрические заряды могут переходить от заряженного тела к незаряженному (вследствие наличия в них  свободных носителей заряда – электронов). Свободные электроны - электроны, способные свободно перемещаться внутри проводника ( в основном в металлах) под действием электрического поля. Свободные электроны возникают при образовании металлов: электроны с внешних оболочек атомов утрачивают связи с ядрами и начинают принадлежать всему проводнику. Наличие в проводнике свободных зарядов приводит к тому, что даже при наличии внешнего электрического поля внутри проводника напряженность поля равна нулю. Если бы напряженность электрического поля была отлична от нуля, то поле приводило бы свободные заряды в упорядоченное движение, т. е. в проводнике существовал бы электрический ток. Внутри проводника электростатического поля нет (Е = 0), что справедливо для заряженного проводника и для незаряженного проводника, внесенного во внешнее электростатическое поле.  Почему? - т.к. существует явление электростатической индукции, т.е. явление разделения зарядов в проводнике, внесенном в электростатическое поле (Евнешнее) с образованием нового электростатического поля (Евнутр.) внутри проводника. Внутри проводника оба поля ( Евнешн. и Евнутр.) компенсируют друг друга, тогда внутри проводника Е = 0. Применение: Экранирование (электростатическая защита, М. Фарадей, 1837) – металлический экран, внутри которого Е = 0, т.к. весь заряд будет сосредоточен на поверхности проводника Чтобы защитить чувствительные к электрическому полю приборы, их помещают в металлические ящики. Итак. Внутри проводника не только напряженность поля равна нулю, равен нулю и заряд. Весь статический заряд проводника сосредоточен на его поверхности. Этот вывод справедлив как для незаряженных проводников в электрическом поле, так и для заряженных. Линии напряженности электрического поля в любой точке поверхности проводника перпендикулярны этой поверхности. Диэлектрики   в электростатическом поле.
Диэлектрики (изоляторы) - тела, через которые электрические заряды не могут переходить от заряженного тела к незаряженному. У диэлектрика электрические заряды, а точнее, электрически заряженные частицы - электроны и ядра в нейтральных атомах связаны друг с другом. Они не могут, подобно свободным зарядам проводника, перемещаться под действием электрического поля по всему объему тела.    Различие в строении проводников и диэлектриков приводит к тому, что они по-разному ведут себя в электростатическом поле. Электрическое поле может существовать внутри диэлектрика.
Два вида диэлектриков. Существующие диэлектрики можно разбить на два вида:     полярные, состоящие из таких молекул, у которых центры распределения положительных и отрицательных зарядов не совпадают;    неполярные, состоящие из атомов или молекул, у которых центры распределения положительных и отрицательных зарядов совпадают. Следовательно, молекулы у этих диэлектриков разные.   К полярным диэлектрикам относятся спирты, вода и другие вещества; к неполярным - инертные газы, кислород, водород, бензол, полиэтилен и др. Неполярные  диэлектрики. Положительный заряд атома (заряд ядра) сосредоточен в его центре. Электрон движется в атоме с большой скоростью. Один оборот вокруг ядра он делает за очень малое время, порядка 10-15 с. Поэтому, например, уже за 109 с он успевает совершить миллион оборотов и, следовательно, миллион раз побывать в двух любых точках 1 и 2, расположенных симметрично относительно ядра.  Полярные  диэлектрики. Атом натрия имеет во внешней оболочке один валентный электрон, слабо связанный с атомом. У атома хлора семь валентных электронов. При образовании молекулы единственный валентный электрон натрия захватывается хлором. Оба нейтральных атома превращаются в систему из двух ионов с зарядами противоположных знаков. На большом расстоянии такую молекулу можно приближенно рассматривать как совокупность двух точечных зарядов, равных по модулю и противоположных по знаку, находящихся на некотором расстоянии l друг от друга  Такую в целом нейтральную систему двух зарядов называют электрическим диполем.			Неполярный На рис. схема простейшего атома - атома водорода            Полярный Молекула поваренной соли NаСl Электрический диполь
Поляризация  диэлектриков.
Что происходит с диэлектриком в электрическом поле? Поляризация полярных диэлектриков. Полярный диэлектрик состоит из молекул, которые можно рассматривать как электрические диполи. Тепловое движение приводит к беспорядочной ориентации диполей (рис.), поэтому на поверхности диэлектрика, а также и в любом его объеме, содержащем большое число молекул (выделенный прямоугольник на рис.), электрический заряд в среднем равен нулю. Напряженность электрического поля в диэлектрике в среднем также равна нулю.  q = 0 и Eвнутр = 0 Поместим диэлектрик между двумя параллельными металлическими пластинами, несущими заряды противоположного знака. Если размеры пластин много больше расстояния между ними, то поле между пластинами однородно. Со стороны этого поля на каждый электрический диполь будут действовать две силы, одинаковые по модулю, но противоположные по направлению (рис. ). Они создадут момент сил, стремящийся повернуть диполь так, чтобы его ось была направлена по силовым линиям поля .При этом положительные заряды смещаются в направлении электрического поля, а отрицательные - в противоположную сторону. Смещение положительных и отрицательных связанных зарядов диэлектрика в противоположные стороны называют поляризацией.    Однако тепловое движение препятствует созданию упорядоченной ориентации всех диполей. Только при температуре, стремящейся к абсолютному нулю, все диполи выстраивались бы вдоль силовых линий. Таким образом, под влиянием поля происходит лишь частичная ориентация электрических диполей. Это означает, что в среднем число диполей, ориентированных вдоль поля, больше, чем число диполей, ориентированных против поля. На рис.видно, что у положительно заряженной пластины на поверхности диэлектрика появляются преимущественно отрицательные заряды диполей, а у отрицательно заряженной - положительные.  В результате на поверхности диэлектрика возникает связанный заряд. Внутри диэлектрика положительные и отрицательные заряды диполей компенсируют друг друга и средний поляризованный связанный электрический заряд по-прежнему равен нулю. Поляризация неполярных диэлектриков. Неполярный диэлектрик в электрическом поле также поляризуется. Под действием поля положительные и отрицательные заряды его молекулы смещаются в противоположные стороны и центры распределения положительного и отрицательного зарядов перестают совпадать, как и у полярной молекулы. Молекулы растягиваются (рис.  ). Такие деформированные молекулы можно рассматривать как электрические диполи, оси которых направлены вдоль поля. На поверхностях диэлектрика, примыкающих к заряженным пластинам, появляются связанные заряды, как и при поляризации полярного диэлектрика. В результате поляризации возникает поле, создаваемое связанными поляризованными зарядами и направленное против внешнего поля (рис.). Если напряженность внешнего поля E0, а напряженность поля, создаваемого поляризованными зарядами, E1, то напряженность поля внутри диэлектрика равна: Как видим, поле внутри диэлектрика ослабляется. Степень ослабления поля зависит от свойств диэлектрика.    Итак. В электрическом поле связанные заряды диэлектрика смещаются в противоположные стороны, происходит поляризация диэлектрика. Поляризованный диэлектрик сам создает электрическое поле. Независимо от вида диэлектрика напряженность поля в нем всегда меньше напряженности внешнего поля, вызвавшего его поляризацию.

Краткое описание документа:

Конспект лекций (раздаточный материал) по учебной дисциплине "Естествознание: Физика" составлен в соответствии с программой курса для СПО (социально- экономический и гуманитарный профиль) (10 класс) и может быть использован в учебном процессе для активизации деятельности студентов как в аудиторной, так и для самостоятельной работы. Содержит материал, достаточный для успешного прохождения студентами текущей и промежуточной аттестации по вопросам данной темы. Может успешно применяться в качестве раздаточного материала, что особенно актуально при отсутствии или недостаточном количестве учебников при проведении теоретических занятий.