Elektrostaatika. Põhimõisted
Entsüklopeediline YouTube
-
1 / 5
Elektrostaatikale pani aluse Coulombi töö (kuigi kümme aastat enne teda sai samad tulemused, isegi veel suurema täpsusega, Cavendish. Cavendishi töö tulemusi säilitati perekonnaarhiivis ja neid avaldati vaid sadakond. aastaid hiljem); leitud uusim seadus elektrilised vastasmõjud võimaldas Greenil, Gaussil ja Poissonil luua matemaatiliselt elegantse teooria. Elektrostaatika kõige olulisem osa on Greeni ja Gaussi loodud potentsiaaliteooria. Rees viis läbi palju elektrostaatika eksperimentaalseid uuringuid, kelle raamatud olid minevikus nende nähtuste uurimise peamiseks juhiseks.
Dielektriline konstant
Mis tahes aine dielektrilise koefitsiendi K väärtuse leidmine, koefitsient, mis sisaldub peaaegu kõigis valemites, millega elektrostaatikas tuleb tegeleda, on üsna võimalik. erinevatel viisidel. Kõige sagedamini kasutatavad meetodid on järgmised.
1) Kahe sama suuruse ja kujuga kondensaatori elektrilise mahtuvuse võrdlus, millest ühes on isolatsioonikihiks õhukiht, teises - testitava dielektriku kiht.
2) Kondensaatori pindade vaheliste atraktsioonide võrdlus, kui nendele pindadele antakse teatud potentsiaalide erinevus, kuid ühel juhul on nende vahel õhk (tõmbejõud = F 0), teisel juhul katsevedeliku isolaator ( tõmbejõud = F). Dielektriline koefitsient leitakse järgmise valemiga:
K = F 0 F. (\displaystyle K=(\frac (F_(0))(F)).)3) Mööda juhtmeid levivate elektrilainete (vt Elektrilised võnkumised) vaatlused. Maxwelli teooria kohaselt väljendatakse elektrilainete levimise kiirust mööda juhtmeid valemiga
V = 1 K μ. (\displaystyle V=(\frac (1)(\sqrt (K\mu))).)milles K tähistab traati ümbritseva keskkonna dielektrilist koefitsienti, μ tähistab selle keskkonna magnetilist läbilaskvust. Võime panna μ = 1 enamiku kehade jaoks ja seepärast selgub
V = 1 K. (\displaystyle V=(\frac (1)(\sqrt (K))).)Tavaliselt võrreldakse seisvate elektrilainete pikkusi, mis tekivad sama juhtme õhus asuvates osades ja uuritavas dielektrikus (vedelikus). Olles määranud need pikkused λ 0 ja λ, saame K = λ 0 2 / λ 2. Maxwelli teooria kohaselt järeldub, et ergastuse korral elektriväli mis tahes isoleerivas aines tekivad selle aine sees erilised deformatsioonid. Mööda induktsioontorusid on isolatsioonikeskkond polariseeritud. Selles tekivad elektrilised nihked, mida saab võrrelda positiivse elektri liikumisega nende torude telgede suunas ja läbi iga toru ristlõike läbib elektrienergia kogus, mis on võrdne
D = 1 4 π K F. (\displaystyle D=(\frac (1)(4\pi ))KF.)Maxwelli teooria võimaldab leida nende jaoks väljendeid sisemised jõud(pinge- ja rõhujõud), mis tekivad dielektrikutes, kui neis ergastatakse elektriväli. Seda küsimust käsitles esmalt Maxwell ise ja hiljem Helmholtz üksikasjalikumalt. Selle probleemi teooria ja sellega tihedalt seotud elektrostriktsiooniteooria (st teooria, mis käsitleb nähtusi, mis sõltuvad dielektrikutes elektrivälja ergastamisel eripingete esinemisest) edasiarendus kuulub Lorbergi töödesse, Kirchhoff, P. Duhem, N. N. Schiller ja mõned teised
Piiritingimused
Lõpetame kokkuvõte Elektrostriktsiooni osakonna kõige olulisem osa on induktsioontorude murdumise küsimuse käsitlemine. Kujutagem ette kahte elektriväljas olevat dielektrikut, mis on üksteisest eraldatud mingi pinnaga S ja mille dielektrilised koefitsiendid on K 1 ja K 2.
Olgu punktides P 1 ja P 2, mis asuvad lõpmatult lähedal pinnale S selle mõlemal küljel, potentsiaalide suurused väljendatakse V 1 ja V 2 kaudu ning jõudude suurused, mida kogeb positiivse elektrienergia ühik, mis asetatakse need punktid läbi F 1 ja F 2. Siis pinnal S endal asuva punkti P jaoks peab olema V 1 = V 2,
d V 1 d s = d V 2 d s , (30) (\displaystyle (\frac (dV_(1))(ds))=(\frac (dV_(2))(ds)),\qquad (30))kui ds kujutab endast lõpmata väikest nihet piki pinna S puutuja tasandi lõikejoont punktis P tasapinnaga, mis läbib selles punktis pinna normaalset ja läbib selles oleva elektrijõu suunda. Teisest küljest peaks see olema
K 1 d V 1 d n 1 + K 2 d V 2 d n 2 = 0. (31) (\displaystyle K_(1)(\frac (dV_(1))(dn_(1)))+K_(2)( \frac (dV_(2))(dn_(2)))=0.\qquad (31))Tähistame ε 2-ga jõu F2 poolt tekitatud nurka normaaliga n2 (teise dielektriku sees) ja ε 1-ga jõu F 1 poolt moodustatud nurka sama normaalsega n 2 Seejärel kasutades valemeid (31) ja (30), leiame
t g ε 1 t g ε 2 = K 1 K 2 . (\displaystyle (\frac (\mathrm (tg) (\varepsilon _(1)))(\mathrm (tg) (\varepsilon _(2))))=(\frac (K_(1))(K_( 2))).)Niisiis muutub kahte dielektrikut üksteisest eraldaval pinnal elektrijõu suund, nagu valguskiir, mis siseneb ühest keskkonnast teise. See teooria tagajärg on kogemusega õigustatud.
- Dünaamika põhiseadused. Newtoni seadused – esimene, teine, kolmas. Galilei relatiivsusprintsiip. Universaalse gravitatsiooni seadus. Gravitatsioon. Elastsed jõud. Kaal. Hõõrdejõud - puhke, libisemine, veeremine + hõõrdumine vedelikes ja gaasides.
- Kinemaatika. Põhimõisted. Ühtlane sirge liikumine. Ühtlaselt kiirendatud liikumine. Ühtlane liikumine ringis. Võrdlussüsteem. Trajektoor, nihe, tee, liikumisvõrrand, kiirus, kiirendus, lineaar- ja nurkkiiruse seos.
- Lihtsad mehhanismid. Hoob (esimest tüüpi kang ja teist tüüpi kang). Plokk (fiksplokk ja liigutatav plokk). Kaldtasapind. Hüdrauliline press. Mehaanika kuldreegel
- Looduskaitseseadused mehaanikas. Mehaaniline töö, võimsus, energia, impulsi jäävuse seadus, energia jäävuse seadus, tahkete ainete tasakaal
- Ringikujuline liikumine. Ringjoones liikumise võrrand. Nurkkiirus. Normaalne = tsentripetaalne kiirendus. Periood, ringluse sagedus (rotatsioon). Lineaar- ja nurkkiiruse seos
- Mehaanilised vibratsioonid. Vabad ja sunnitud vibratsioonid. Harmoonilised vibratsioonid. Elastsed vibratsioonid. Matemaatiline pendel. Energia muundumine harmooniliste võnkumiste ajal
- Mehaanilised lained. Kiirus ja lainepikkus. Liikuva laine võrrand. Lainenähtused (difraktsioon, interferents...)
- Vedelikumehaanika ja aeromehaanika. Rõhk, hüdrostaatiline rõhk. Pascali seadus. Hüdrostaatika põhivõrrand. Suhtlevad laevad. Archimedese seadus. Sõidutingimused tel. Vedeliku vool. Bernoulli seadus. Torricelli valem
- Molekulaarfüüsika. IKT põhisätted. Põhimõisted ja valemid. Ideaalse gaasi omadused. MKT põhivõrrand. Temperatuur. Ideaalse gaasi olekuvõrrand. Mendelejevi-Clayperoni võrrand. Gaasiseadused - isoterm, isobaar, isokoor
- Laine optika. Valguse osakeste-laine teooria. Valguse lainelised omadused. Valguse hajumine. Valguse interferents. Huygensi-Fresneli põhimõte. Valguse difraktsioon. Valguse polarisatsioon
- Termodünaamika. Sisemine energia. Töö. Soojuse kogus. Soojusnähtused. Termodünaamika esimene seadus. Termodünaamika esimese seaduse rakendamine erinevatele protsessidele. Termilise tasakaalu võrrand. Termodünaamika teine seadus. Soojusmootorid
- Olete praegu siin: Elektrostaatika. Põhimõisted. Elektrilaeng. Elektrilaengu jäävuse seadus. Coulombi seadus. Superpositsiooni põhimõte. Lühimaategevuse teooria. Elektrivälja potentsiaal. Kondensaator.
- Pidev elektrivool. Ohmi seadus vooluringi lõigu kohta. DC töö ja võimsus. Joule-Lenzi seadus. Ohmi seadus tervikliku vooluringi jaoks. Faraday elektrolüüsi seadus. Elektriahelad - jada- ja paralleelühendus. Kirchhoffi reeglid.
- Elektromagnetilised vibratsioonid. Vabad ja sunnitud elektromagnetvõnked. Võnkuv ahel. Vahelduv elektrivool. Kondensaator vahelduvvooluahelas. Induktiivpool ("solenoid") vahelduvvooluahelas.
- Relatiivsusteooria elemendid. Relatiivsusteooria postulaadid. Samaaegsuse, kauguste, ajavahemike relatiivsus. Kiiruste liitmise relativistlik seadus. Massi sõltuvus kiirusest. Relativistliku dünaamika põhiseadus...
- Otseste ja kaudsete mõõtmiste vead. Absoluutne, suhteline viga. Süstemaatilised ja juhuslikud vead. Standardhälve (viga). Erinevate funktsioonide kaudsete mõõtmiste vigade määramise tabel.
- ei ristu;
- ei ole suletud;
- stabiilne;
- lõppsuund langeb kokku vektori suunaga;
- algavad $+ q$ või lõpmatusest, lõpevad $– q$;
- moodustuvad laengute lähedal (kus pinge on suurem);
- risti peajuhi pinnaga.
- On kahte tüüpi laenguid, mida tinglikult nimetatakse positiivseteks ja negatiivseteks;
- elektrilaenguid saab ühelt kehalt teisele üle kanda;
- samanimelised elektrilaengud tõrjuvad üksteist ja samanimelised elektrilaengud tõmbavad teineteist.
- jõud on võrdeline iga laengu suurusega;
- jõud on pöördvõrdeline nendevaheliste kauguste ruuduga;
- jõu suund on suunatud piki laenguid ühendavat sirgjoont;
- jõud on külgetõmbejõud, kui kehad on laetud vastandlikult, ja tõrjumine sarnaste laengute korral.
- mitme jõu mõju laetud osakesele on nende jõudude mõjude vektorsumma;
- iga keeruline liigutus koosneb mitmest lihtsast liigutusest.
- Elektrostaatiline lahendus
- Landau, L.D., Lifshits, E.M. Väljateooria. - 7. trükk, muudetud. - M.: Nauka, 1988. - 512 lk. - (“Teoreetiline füüsika”, II köide). - ISBN 5-02-014420-7
- Matvejev A. N. Elekter ja magnetism. M.: lõpetanud kool, 1983.
- Tunnel M.-A. Elektromagnetismi ja relatiivsusteooria alused. Per. alates fr. M.: Väliskirjandus, 1962. 488 lk.
- Borgman, „Elektri- ja doktriini alused magnetilised nähtused"(I köide);
- Maxwell, "Traktaat elektrist ja magnetismist" (I köide);
- Poincaré, "Electricité et Optique";
- Wiedemann, “Die Lehre von der Elektricität” (I kd);
- Konstantin Bogdanov. Mida elektrostaatika teha saab // Kvant. - M.: Bureau Quantum, 2010. - nr 2.
Definitsioon 1
Elektrostaatika on ulatuslik elektrodünaamika haru, mis uurib ja kirjeldab teatud süsteemis puhkeolekus elektriliselt laetud kehasid.
Praktikas on elektrostaatilisi laenguid kahte tüüpi: positiivne (klaas siidil) ja negatiivne (kõvakumm villal). Elementaarlaeng on minimaalne laeng ($e = 1,6 ∙10^( -19)$ C). Iga füüsilise keha laeng on elementaarlaengute täisarvu kordne: $q = Ne$.
Materiaalsete kehade elektrifitseerimine on laengu ümberjaotumine kehade vahel. Elektrifitseerimise meetodid: puudutus, hõõrdumine ja mõjutamine.
Elektrilise positiivse laengu jäävuse seadus - suletud kontseptsioonis kõigi elektrilaengute algebraline summa elementaarosakesed jääb stabiilseks ja muutumatuks. $q_1 + q _2 + q _3 + …..+ q_n = const$. Testi laadimine sisse sel juhul tähistab punktpositiivset laengut.
Coulombi seadus
See seadus kehtestati eksperimentaalselt 1785. aastal. Selle teooria kohaselt on kahe punktlaengu vastasmõju keskkonnas puhkeolekus alati võrdeline positiivsete moodulite korrutisega ja pöördvõrdeline nendevahelise kogukauguse ruuduga.
Elektriväli on ainulaadne ainetüüp, mis interakteerub stabiilsete elektrilaengute vahel, moodustub laengute ümber ja mõjutab ainult laenguid.
See punktitaoliste statsionaarsete elementide protsess järgib täielikult Newtoni kolmandat seadust ja seda peetakse osakesed, mis tõrjuvad üksteist võrdse jõuga üksteise suhtes. Staatika stabiilsete elektrilaengute vahelist seost nimetatakse Coulombi interaktsiooniks.
Coulombi seadus on laetud materiaalsete kehade, ühtlaselt laetud kuulide ja kerade puhul täiesti õiglane ja täpne. Sel juhul võetakse kaugusteks peamiselt ruumide keskpunktide parameetrid. Praktikas täidetakse see seadus hästi ja kiiresti, kui laetud kehade suurused on palju väiksemad kui nendevaheline kaugus.
Märkus 1
Elektriväljas toimivad ka juhid ja dielektrikud.
Esimesed esindavad aineid, mis sisaldavad vabu elektromagnetilisi laengukandjaid. Juhi sees võib toimuda elektronide vaba liikumine. Nende elementide hulka kuuluvad lahused, metallid ja mitmesugused elektrolüütide sulad, ideaalsed gaasid ja plasma.
Dielektrikud on ained, milles ei saa olla vabu elektrilaengukandjaid. Elektronide vaba liikumine dielektrikute endi sees on võimatu, kuna nende kaudu puudub vool. elektrit. Just nende füüsikaliste osakeste läbilaskvus ei ole võrdne dielektrilise ühikuga.
Elektriliinid ja elektrostaatika
Algse elektrivälja tugevuse jõujooned on pidevad jooned, mille puutujapunktid igas keskkonnas, mida nad läbivad, langevad täielikult kokku pingeteljega.
Elektriliinide peamised omadused:
2. definitsioon
Elektripotentsiaalide erinevus ehk pinge (Ф või $U$) on potentsiaalide suurus alg- ja lõpp-punktid positiivse laengu trajektoorid. Mida vähem potentsiaal muutub piki teelõigu, seda väiksem on sellest tulenev väljatugevus.
Elektrivälja tugevus on alati suunatud algpotentsiaali vähendamisele.
Joonis 2. Elektrilaengute süsteemi potentsiaalne energia. Autor24 - õpilastööde veebivahetus
Elektriline võimsus iseloomustab iga juhi võimet koguda vajalikku elektrilaengut enda pinnale.
See parameeter ei sõltu elektrilaengust, kuid seda võivad mõjutada juhtide geomeetrilised mõõtmed, nende kuju, asukoht ja elementidevahelise keskkonna omadused.
Kondensaator on universaalne elektriseade, mis aitab kiiresti koguda elektrilaengut vooluringi vabastamiseks.
Elektriväli ja selle intensiivsus
Kõrval kaasaegsed ideed teadlased, stabiilsed elektrilaengud üksteist otseselt ei mõjuta. Iga laetud füüsiline keha elektrostaatikas tekitab sisse keskkond elektriväli. See protsess avaldab teistele laetud ainetele jõudu. Elektrivälja peamine omadus on see, et see mõjub punktlaengutele teatud jõuga. Seega toimub positiivselt laetud osakeste vastastikmõju laetud elemente ümbritsevate väljade kaudu.
Seda nähtust saab uurida nn testlaengu abil – väikese elektrilaenguga, mis uuritavaid laenguid oluliselt ümber ei jaota. Välja kvantitatiivseks tuvastamiseks võetakse kasutusele võimsustunnus - elektrivälja tugevus.
Pinge on füüsikaline näitaja, mis võrdub jõu suhtega, millega väli mõjub välja antud punkti asetatud katselaengule, ja laengu enda suuruse suhtega.
Elektrivälja tugevus on vektorfüüsikaline suurus. Vektori suund langeb sel juhul igas ümbritseva ruumi materiaalses punktis kokku positiivsele laengule mõjuva jõu suunaga. Aja jooksul muutumatute ja paigal seisvate elementide elektrivälja loetakse elektrostaatiliseks.
Elektrivälja mõistmiseks kasutatakse jõujooni, mis on tõmmatud nii, et iga süsteemi pinge peatelje suund langeb kokku punkti puutuja suunaga.
Elektrostaatika potentsiaalne erinevus
Elektrostaatilisel väljal on üks oluline omadus: kõigi liikuvate osakeste jõudude poolt punktlaengu ühest välja punktist teise liikumisel tehtav töö ei sõltu trajektoori suunast, vaid selle määrab ainult punktlaengu asukoht. alg- ja lõppread ning laadimisparameeter.
Töö sõltumatuse tulemuseks laengute liikumise vormist on järgmine väide: elektrostaatilise välja jõudude funktsionaalsus laengu muundamisel piki suletud trajektoori on alati võrdne nulliga.
Joonis 4. Elektrostaatilise välja potentsiaal. Autor24 - õpilastööde veebivahetus
Elektrostaatilise välja potentsiaalsuse omadus aitab tutvustada potentsiaali mõistet ja sisemine energia tasu. Ja füüsikalist parameetrit, mis on võrdne väljas oleva potentsiaalse energia ja selle laengu väärtuse suhtega, nimetatakse elektrivälja konstantseks potentsiaaliks.
Paljudes elektrostaatika keerulistes probleemides potentsiaalide määramisel väljaspool võrdlusväärtust materiaalne punkt, kus potentsiaalse energia suurus ja potentsiaal ise kaovad, on mugav kasutada punkti lõpmatus. Sel juhul määratakse potentsiaali olulisus järgmiselt: elektrivälja potentsiaal mis tahes ruumipunktis võrdub tööga, mida sisejõud sooritavad positiivse ühiklaengu eemaldamisel antud süsteemist lõpmatuseni.
Samuti sisse Vana-Kreeka Märgati, et karusnahaga hõõrutud merevaik hakkab ligi tõmbama väikesed osakesed- tolm ja puru. Pikka aega(kuni 18. sajandi keskpaigani) ei suutnud seda nähtust tõsiselt õigustada. Alles 1785. aastal tuletas Coulomb, jälgides laetud osakeste vastastikmõju, nende vastasmõju põhiseaduse. Umbes pool sajandit hiljem uuris ja süstematiseeris Faraday elektrivoolude ja magnetväljade toimet ning kolmkümmend aastat hiljem põhjendas Maxwell seda teooriat. elektromagnetväli.
Elektrilaeng
Esmakordselt on terminid „elektriline“ ja „elektrifitseerimine“ tuletised Ladina sõna“electri” – merevaigu – võttis 1600. aastal kasutusele inglise teadlane W. Gilbert, et selgitada nähtusi, mis tekivad merevaiku karusnaha või klaasiga nahaga hõõrumisel. Seega kehad, millel on elektrilised omadused hakati nimetama elektriliselt laetuks, st neile kandus elektrilaeng.
Eeltoodust järeldub, et elektrilaeng on kvantitatiivne tunnus, mis näitab keha võimaliku osalemise astet elektromagnetilises interaktsioonis. Laeng on tähistatud q või Q ja selle mahutavus on Coulomb (C)
Arvukate katsete tulemusena saadi elektrilaengute põhiomadused:
Lisaks kehtestati laengu jäävuse seadus: suletud (isoleeritud) süsteemi elektrilaengute algebraline summa jääb konstantseks
1749. aastal esitas Ameerika leiutaja Benjamin Franklin elektrinähtuste teooria, mille kohaselt elekter on laetud vedelik, mille puudulikkust defineeris ta negatiivse elektrienergiana ja mille ülejääk on positiivne elekter. Nii tekkis kuulus elektrotehnika paradoks: B. Franklini teooria kohaselt liigub elekter positiivselt poolusele negatiivsele poolusele.
Vastavalt kaasaegne teooria ainete ehitus, kõik ained koosnevad molekulidest ja aatomitest, mis omakorda koosnevad aatomi tuumast ja selle ümber pöörlevatest elektronidest “e”. Tuum on ebahomogeenne ja koosneb omakorda prootonitest "p" ja neutronitest "n". Lisaks on elektronid negatiivselt laetud osakesed ja prootonid on positiivselt laetud. Kuna elektronide ja aatomituuma vaheline kaugus ületab oluliselt osakeste endi suurust, võivad elektronid aatomist eraldada, põhjustades seeläbi elektrilaengute liikumist kehade vahel.
Lisaks ülalkirjeldatud omadustele on elektrilaengul jagunemisomadus, kuid minimaalse võimaliku jagamatu laengu väärtus on võrdne absoluutväärtus elektronlaeng (1,6 * 10 -19 C), mida nimetatakse ka elementaarlaenguks. Praegu on tõestatud elementaarlaengust väiksema elektrilaenguga osakeste, mida nimetatakse kvarkideks, olemasolu, kuid nende eluiga on tähtsusetu ja neid ei ole avastatud vabas olekus.
Coulombi seadus. Superpositsiooni põhimõte
Statsionaarsete elektrilaengute vastastikmõju uurib füüsika haru nimega elektrostaatika, mis põhineb tegelikult arvukate katsete põhjal tuletatud Coulombi seadusel. See seadus, nagu ka elektrilaengu ühik, said nime prantsuse füüsiku Charles Coulombi järgi.
Coulomb leidis oma katsete kaudu, et kahe väikese elektrilaengu vastastikmõju järgib järgmisi reegleid:
Seega väljendatakse Coulombi seadust järgmise valemiga
kus q1, q2 – elektrilaengute suurus,
r on kahe laengu vaheline kaugus,
k on proportsionaalsustegur, mis on võrdne k = 1/(4πε 0) = 9 * 10 9 C 2 /(N*m 2), kus ε 0 on elektriline konstant, ε 0 = 8,85 * 10 -12 C 2 /( N*m 2).
Lubage mul märkida, et varem nimetati elektrikonstanti ε0 vaakumi dielektriliseks konstandiks või dielektriliseks konstandiks.
Coulombi seadus avaldub mitte ainult siis, kui kaks laengut interakteeruvad, vaid ka see, et mitmest laengust koosnevad süsteemid on tavalisemad. Sel juhul täiendab Coulombi seadust veel üks oluline tegur, mida nimetatakse superpositsiooni printsiibiks või superpositsiooni printsiibiks.
Superpositsiooni põhimõte põhineb kahel reeglil:
Superpositsiooni põhimõtet on minu arvates kõige lihtsam graafiliselt kujutada
Joonisel on kolm laengut: -q 1, +q 2, +q 3. Laengule -q 1 mõjuva jõu F summa arvutamiseks on vaja vastavalt Coulombi seadusele arvutada vastasmõjujõud F1 ja F2 väärtuste -q 1, +q 2 ja -q 1, +q vahel. 3. Seejärel lisage saadud jõud vastavalt vektori liitmise reeglile. Sel juhul arvutatakse Ftotal rööpküliku diagonaalina, kasutades järgmist avaldist
kus α on vektorite F1 ja F2 vaheline nurk.
Elektriväli. Elektrivälja tugevus
Igasugune laengutevaheline interaktsioon, mida nimetatakse ka Coulombi interaktsiooniks (nimetatud Coulombi seaduse järgi), toimub elektrostaatilise välja abil, mis on statsionaarsete laengute ajas muutumatu elektriväli. Elektriväli on osa elektromagnetväljast ja selle tekitavad elektrilaengud või laetud kehad. Elektriväli mõjutab laenguid ja laetud kehasid, olenemata sellest, kas need liiguvad või on puhkeolekus.
Elektrivälja üks põhimõisteid on selle intensiivsus, mida defineeritakse kui elektrivälja laengule mõjuva jõu ja selle laengu suuruse suhet. Selle kontseptsiooni paljastamiseks on vaja kasutusele võtta selline mõiste nagu "testilaeng".
"Testlaeng" on laeng, mis ei osale elektrivälja loomises ja millel on ka väga väike väärtus ja seetõttu ei põhjusta see oma olemasolu tõttu ruumis laengute ümberjaotumist, moonutades seeläbi elektrivälja. tekitatud elektrilaengute poolt.
Seega, kui sisestate "testlaengu" q 0 punkti, mis asub teatud kaugusel laengust q, siis "testlaengule" q P mõjub laengu q olemasolu tõttu teatud jõud F. Katselaengule mõjuva jõu F 0 suhet vastavalt Coulombi seadusele testilaengu väärtusesse nimetatakse elektrivälja tugevuseks. Elektrivälja tugevus on tähistatud E ja selle võimsus on N/C
Elektrostaatilise välja potentsiaal. Potentsiaalne erinevus
Teatavasti kui kehale mõjub mingi jõud, siis selline keha teeb teatud hulga tööd. Järelikult teeb tööd ka elektrivälja asetatud laeng. Elektriväljas ei sõltu laengu poolt tehtav töö liikumise trajektoorist, vaid selle määrab ainult osakese asend liikumise alguses ja lõpus. Füüsikas nimetatakse elektriväljaga sarnaseid välju (kus töö ei sõltu keha trajektoorist) potentsiaalideks.
Keha tehtud töö määratakse järgmise avaldise abil
kus F on jõud, mis ei mõju kehale,
S on vahemaa, mille keha läbib jõu F mõjul,
α on nurk keha liikumissuuna ja jõu F toimesuuna vahel.
Seejärel määratakse Coulombi seaduse järgi „testlaengu“ töö laengu q 0 tekitatud elektriväljas
kus q P on "testlaeng",
q 0 – elektrivälja tekitav laeng,
r 1 ja r 2 – vastavalt q П ja q 0 vaheline kaugus “testlaengu” alg- ja lõppasendis.
Kuna töö sooritamine on seotud potentsiaalse energia muutumisega W P , siis
Ja "testlaengu" potentsiaalne energia liikumistrajektoori igas konkreetses punktis määratakse järgmise avaldise põhjal
Nagu avaldisest näha, muutub "testlaengu" q p väärtuse muutumisel potentsiaalse energia W P väärtus võrdeliselt q p-ga, seetõttu võeti elektrivälja iseloomustamiseks kasutusele veel üks parameeter, mida nimetatakse elektrivälja potentsiaal φ, mis on energiakarakteristik ja määratakse järgmise avaldise abil
kus k on proportsionaalsustegur, mis on võrdne k = 1/(4πε 0) = 9 * 10 9 C 2 /(N*m 2), kus ε 0 on elektriline konstant, ε 0 = 8,85 * 10 -12 C 2 / (N*m2).
Seega on elektrostaatilise välja potentsiaal energiakarakteristik, mis iseloomustab elektrostaatilise välja antud punkti asetatud laengu potentsiaalset energiat.
Eeltoodust võime järeldada, et laengu ühest punktist teise liigutamisel tehtud tööd saab määrata järgmise avaldise järgi
See tähendab, et elektrostaatilise välja jõudude poolt tehtav töö laengu liigutamisel ühest punktist teise võrdub laengu ja potentsiaalsete erinevuste korrutisega trajektoori alg- ja lõpp-punktis.
Arvutuste tegemisel on kõige mugavam teada elektrivälja punktide potentsiaalide erinevust, mitte konkreetseid potentsiaali väärtusi nendes punktides, seetõttu peame mis tahes väljapunkti potentsiaalist rääkides silmas potentsiaali erinevust elektrivälja punktide vahel. antud välja punkt ja teine välja punkt, mille potentsiaali on kokku lepitud lugeda võrdseks nulliga.
Potentsiaalne erinevus määratakse järgmise avaldise põhjal ja selle mõõde on Volt (V)
Jätkake lugemist järgmises artiklis
Teooria on hea, aga ilma praktilise rakendamise need on vaid sõnad.
Elektrijuhtivus
Elektritakistus
Elektriline impedants
Elektrostaatika- elektriõppe osa, mis uurib statsionaarsete elektrilaengute vastastikmõju.
vahel sama nimega laetud kehad, tekib elektrostaatiline (või Coulombi) tõrjumine ja vahel erinevad nimed laetud - elektrostaatiline külgetõmme. Sarnaste laengute tõrjumise nähtus on elektroskoobi – elektrilaengute tuvastamise seadme – loomise aluseks.
Elektrostaatika põhineb Coulombi seadusel. See seadus kirjeldab punktelektrilaengute vastastikmõju.
Lugu
Elektrostaatikale pani aluse Coulombi töö (kuigi kümme aastat enne teda sai samad tulemused, isegi veel suurema täpsusega, Cavendish. Cavendishi töö tulemusi säilitati perekonnaarhiivis ja neid avaldati vaid sadakond. aastaid hiljem); viimaste avastatud elektriliste vastastikmõjude seadus võimaldas Greenil, Gaussil ja Poissonil luua matemaatiliselt elegantse teooria. Elektrostaatika kõige olulisem osa on Greeni ja Gaussi loodud potentsiaaliteooria. Rees viis läbi palju elektrostaatika eksperimentaalseid uuringuid, kelle raamatud olid minevikus nende nähtuste uurimise peamiseks juhiseks.
Dielektriline konstant
Mis tahes aine dielektrilise koefitsiendi K väärtuse leidmine, koefitsient, mis sisaldub peaaegu kõigis valemites, millega elektrostaatikas tuleb tegeleda, saab teha väga erineval viisil. Kõige sagedamini kasutatavad meetodid on järgmised.
1) Kahe sama suuruse ja kujuga kondensaatori elektrilise mahtuvuse võrdlus, millest ühes on isolatsioonikihiks õhukiht, teises - testitava dielektriku kiht.
2) Kondensaatori pindade vaheliste atraktsioonide võrdlus, kui nendele pindadele antakse teatud potentsiaalide erinevus, kuid ühel juhul on nende vahel õhk (tõmbejõud = F 0), teisel juhul katsevedeliku isolaator ( tõmbejõud = F). Dielektriline koefitsient leitakse järgmise valemiga:
3) Mööda juhtmeid levivate elektrilainete (vt Elektrilised vibratsioonid) vaatlused. Maxwelli teooria kohaselt väljendatakse elektrilainete levimise kiirust mööda juhtmeid valemiga
milles K tähistab traati ümbritseva keskkonna dielektrilist koefitsienti, μ tähistab selle keskkonna magnetilist läbilaskvust. Võime panna μ = 1 enamiku kehade jaoks ja seepärast selgub
Tavaliselt võrreldakse seisvate elektrilainete pikkusi, mis tekivad sama juhtme õhus asuvates osades ja uuritavas dielektrikus (vedelikus). Olles määranud need pikkused λ 0 ja λ, saame K = λ 0 2 / λ 2. Maxwelli teooria järgi järeldub, et kui elektrivälja ergastatakse mis tahes isoleerivas aines, tekivad selle aine sees erilised deformatsioonid. Mööda induktsioontorusid on isolatsioonikeskkond polariseeritud. Selles tekivad elektrilised nihked, mida saab võrrelda positiivse elektri liikumisega nende torude telgede suunas ja läbi iga toru ristlõike läbib elektrienergia kogus, mis on võrdne
Maxwelli teooria võimaldab leida väljendeid nendele sisejõududele (pinge- ja survejõud), mis tekivad dielektrikutes, kui neis ergastatakse elektriväli. Seda küsimust käsitles esmalt Maxwell ise ja hiljem Helmholtz üksikasjalikumalt. Selle probleemi teooria ja sellega tihedalt seotud elektrostriktsiooniteooria (st teooria, mis käsitleb nähtusi, mis sõltuvad dielektrikutes elektrivälja ergastamisel eripingete esinemisest) edasiarendus kuulub Lorbergi töödesse, Kirchhoff, P. Duhem, N. N. Schiller ja mõned teised
Piiritingimused
Lõpetagem elektrostriktsiooni kõige olulisemate aspektide lühitutvustus, võttes arvesse induktsioontorude murdumise küsimust. Kujutagem ette kahte elektriväljas olevat dielektrikut, mis on üksteisest eraldatud mingi pinnaga S ja mille dielektrilised koefitsiendid on K 1 ja K 2.
Olgu punktides P 1 ja P 2, mis asuvad lõpmatult lähedal pinnale S selle mõlemal küljel, potentsiaalide suurused väljendatakse V 1 ja V 2 kaudu ning jõudude suurused, mida kogeb positiivse elektrienergia ühik, mis asetatakse need punktid läbi F 1 ja F 2. Siis pinnal S endal asuva punkti P jaoks peab olema V 1 = V 2,
kui ds kujutab endast lõpmata väikest nihet piki pinna S puutuja tasandi lõikejoont punktis P tasapinnaga, mis läbib selles punktis pinna normaalset ja läbib selles oleva elektrijõu suunda. Teisest küljest peaks see olema
Tähistame ε 2-ga jõu F2 poolt tekitatud nurka normaaliga n2 (teise dielektriku sees) ja ε 1-ga jõu F 1 poolt moodustatud nurka sama normaalsega n 2 Seejärel kasutades valemeid (31) ja (30), leiame
Niisiis muutub kahte dielektrikut üksteisest eraldaval pinnal elektrijõu suund, nagu valguskiir, mis siseneb ühest keskkonnast teise. See teooria tagajärg on kogemusega õigustatud.
Vaata ka
Kirjandus
Lingid
Märkmed
Peamised sektsioonid |
---|