Презентация "Основные понятия и законы электростатики" по физике – проект, доклад

Тема 1. Основные понятия и законы электростатики

1. Электродинамика, электрические заряды, закон сохранения электрических зарядов Закон Кулона Электростатическое поле и его характеристики Теорема Остроградского - Гаусса Потенциал. Работа электростатического поля. Связь между напряжённостью и потенциалом Литература Трофимова Т.И. Курс физики. – § 77 – 86. Савельев И. В. Курс общей физики, том 2. - § 1 – 12 Касьянов В. А. Физика. 10 класс. - § 75 - 84

Электромагнитные силы – силы притяжения и отталкивания, возникающие между электрически заряженными частицами и телами.

Электродинамика – раздел физики, изучающий электромагнитное взаимодействие электрически заряженных частиц и тел. Электростатика – раздел электродинамики, в котором изучаются взаимодействие и свойства неподвижных электрически заряженных частиц и тел. Электрический заряд Q, q – физическая величина, определяющая силу электрического (электромагнитного) взаимодействия частиц или тел. Единица измерения – 1 Кл (кулон) = 1 А. с

Фундаментальные свойства зарядов

Существуют два вида электрических зарядов (положительные и отрицательные) Электрический заряд инвариантен Дискретен. Заряд любого тела составляет целое число, кратное элементарному заряду е = 1,6 . 10-19 Кл Аддитивен Закон сохранения заряда

Электрон – носитель элементарного отрицательного заряда Q = - e = - 1,6 . 10-19 Кл m = 9,1 . 10-31 Кг Протон – носитель элементарного положительного заряда Q = + e = + 1,6 . 10-19 Кл m = 1,67 . 10-27 Кг Обычно тела электронейтральны Электризация - процесс заряжения тела

Закон Кулона, 1785 г. – закон взаимодействия точечных зарядов. Точечный заряд – заряженное тело, размеры которого много меньше расстояний до других заряженных тел, с которыми оно взаимодействует.

Сила взаимодействия F между двумя неподвижными точечными зарядами , находящимися в вакууме, прямо пропорциональна произведению величин зарядов Q1 и Q2 , обратно пропорциональна квадрату расстояния между r 2 и направлена вдоль линии, соединяющей заряды.

← Электрическая постоянная

Закон Кулона для точечных зарядов, находящихся в диэлектрической среде (веществе).

ε - диэлектрическая проницаемость среды. Величина, показывающая во сколько раз сила взаимодействия зарядов в среде F меньше, чем в вакууме F0. ε = F0 / F

Электрическое (электромагнитное) поле – особый вид материи, посредством которого электрические заряды взаимодействую друг с другом. Электростатическое поле – электрическое поле, созданное неподвижными электрическими зарядами и не изменяющееся со временем. Основное свойство – действовать на другие электрические заряды, находящиеся в нем. Пробный заряд Q0 – небольшой по величине, точечный положительный заряд, который не искажает исследуемое электрическое поле.

Напряженность электрического поля E – векторная физическая величина, численно равная силе, с которой поле действует на единичный положительный заряд, помещенный в данную точку поля. Направление вектора напряженности E совпадает с направлением вектора силы F , с которой поле действует на положительный заряд. Единица измерения – 1 Н/Кл = 1 В/м

Напряженность поля точечного заряда Q

- в скалярной форме

- в векторной форме

- радиус – вектор, направленный от заряда Q в точку поля А

- единичный вектор

Линии напряженности – линии, касательные к которым в каждой точке пространства (поля) совпадают с направлением вектора напряженности. Эти линии:

указывают направление вектора напряженности напряженноcть поля E равна числу линий, проходящих через единичную площадку, перпендикулярную линиям начинаются на положительных зарядах и заканчиваются только на отрицательных зарядах никогда не пересекаются

Линии напряженности

Линии напряженности полей, созданных точечными зарядами

Принцип суперпозиции электростатических полей

Напряженность результирующего поля E , создаваемого системой зарядов Qi , равна векторной сумме напряженностей полей Ei , создаваемых в данной точке каждым из зарядов в отдельности.

Поток ФЕ вектора напряженности E электрического поля через плоскую поверхность площадью S - величина, равная произведению модуля вектора E на площадь S и косинус угла α между векторами E и n (нормалью к поверхности). Единица измерения - 1 В . м

Проекция вектора E на направление вектора нормали n

- другая формула потока

- вектор площадки

Поток ФЕ численно равен количеству линий напряженности, пронизывающих поверхность S , является алгебраической величиной,

Определение потока напряженности ФЕ в неоднородном электрическом поле через произвольную (искривленную) поверхность S .

поток напряженности через элементарную площадку dS

- вектор элементарной площадки

Вычисление потока ФЕ через замкнутую поверхность S

Теорема Остроградского – Гаусса

Поток вектора напряженности электростатического поля E в вакууме сквозь замкнутую поверхность равен алгебраической сумме электрических зарядов, заключенных внутри этой поверхности, деленной на εо

Теорема справедлива для любого распределения зарядов внутри любой замкнутой поверхности; заряды вне поверхности не учитываются.

Электрическое поле равномерно заряженной бесконечной плоскости

Вывод

величина заряда внутри цилиндра

Поток через цилиндр

Формулы - в вакууме - в среде с ε

Поле двух бесконечных параллельных плоскостей, заряженных разноимённо

Поле системы есть суперпозиция полей, создаваемых каждой из плоскостей в отдельности. Поле однородное.

Поле равномерно заряженной сферической поверхности

а) Область пространства на поверхности сферы и вне её. Если r ≥ R , то б) Область внутри сферы. Если r

Поле заряженной сферы совпадает с полем точечного заряда, равного заряду сферы и находящегося в центре сферы.

Потенциал. Работа электростатического поля.

Электростатическое поле является потенциальным. Работа сил электростатического поля по перемещению электрического заряда не зависит от вида (формы) траектории, а определяется только начальным и конечным положениями заряда в поле. При перемещении в электростатическом поле заряда по замкнутой траектории работа сил поля равна нулю. Потенциальность электростатического поля имеет математическое определение с помощью понятия циркуляция вектора напряженности .

работа на элементарном перемещении

работа по перемещению единичного заряда

циркуляция вектора напряжённости электростатического поля по замкнутому контуру (кривой) L

Эта величина представляет собой полную работу А электрических сил по перемещению единичного положительного заряда Q0 = + 1Кл по замкнутому пути ( вдоль кривой L )

Циркуляция вектора напряженности электростатического контура равна нулю

Работа электростатических сил по перемещению заряда Q из одного положения (точки 1) в другое положение (точку 2) равна убыли потенциальной энергии заряда и не зависит от пути перещения заряда. A12 = - ( U2 - U1) = U1 - U2

Потенциал электростатического поля φ - скалярная физическая величина, численно равная потенциальной энергии единичного положительного заряда, помещенного в данную точку поля. Единица измерения - 1 В = 1 Дж/Кл.

Работа сил электростатического поля А12 равна произведению величины перемещаемого заряда Q на разность потенциалов в начальном (1) и конечном (2) положениях заряда.

Разность потенциалов между двумя точками 1 и 2 электростатического поля равна работе, совершаемой силами поля при перемещении единичного положительного заряда из одной точки поля (начальной) в другую точку поля (конечную).

Второе определении потенциала. Потенциал поля в данной точке пространства – физическая величина, определяемая работой по перемещению единичного положительного заряда из данной точки поля в бесконечность.

Потенциал электростатического поля точечного заряда Q ( на расстоянии r от него )

● Потенциал бесконечно удалённой точки считается равным нулю ● Эта формула выражает потенциал равномерно заряженного шара (или сферы) при r ≥ R, где R - радиус шара (или сферы)

Принцип суперпозиции для потенциалов

Потенциал результирующего поля, созданного системой электрических зарядов, равен алгебраической сумме потенциалов полей всех этих зарядов.

Связь между напряжённостью и потенциалом электростатического поля

Работа при перемещении заряда Q = +1 Кл из точки 1 в точку 2

E dl α 1 2

В окрестности какой - либо точки электростатического поля потенциал поля φ наиболее быстро изменяется в направлении линии напряженности.

dφ - изменение потенциала, вызванное перемещением единичного заряда на dl вдоль линии напряжённости - это величина (модуль) градиента потенциала grad φ электростатического поля, характеризующего быстроту изменения потенциала φ в пространстве

В векторном виде связь между напряженностью E и потенциалом φ имеет вид:

Физический смысл. Напряжённость поля в данной точке (месте) электростатического поля измеряется уменьшением потенциала поля, приходящимся на единицу длины линии напряжённости.

В случае однородного электростатического поля

φ1 и φ2 - потенциалы в точках 1 и 2 Δ l - расстояние между точками 1 и 2 вдоль линии напряжённости поля ( расстояние между эквипотенциальными поверхностями )

3 + _

Эквипотенциальная поверхность - это поверхность, во всех точках которой потенциал φ имеет одинаковое значение. Работа, совершаемая при перемещении заряда по одной и той же эквипотенциальной поверхности, равна нулю. Линии напряжённости всегда перпендикулярны к ним. Эти поверхности проводят с определённой густотой, так, чтобы разность потенциалов между любыми двумя соседними поверхностями была одинакова ( через 1 В ).