Электростатические законы в физике

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Закон сохранения заряда

Заряд - это одновременно 1) субстанция, 2) свойство тел взаимодействовать определ?нным образом, 3) число, приписываемое по определ?нному правилу

Закон сохранения заряда в интегральной форме можем записать в виде

I= - , или

где I- ток, вытекающий из некоторой замкнутой поверхности,

v- неподвижный объ?м, ограниченный замкнутой поверхностью s.

Смысл этого уравнения таков, что заряд меняется только за сч?т втекания или вытекания тока из объ?ма v.

2. Уравнения Максвелла как результат обобщения опытных фактов

Метрологический способ введения первичных понятий ЭД

Как известно, одной из основных единиц СИ является «ампер», а единица измерения заряда - «кулон» является производной единицей. В метрологии принят непрямой способ определения заряда через величину постоянного тока . Заряд, переносимый через поперечное сечение проводника, равен произведению силы тока на время его прохождения через это сечение.

Сила тока определяется через магнитное взаимодействие двух длинных параллельных проводников с током.

Ампер равен величине стационарного тока, который, будучи пропущен по двум параллельным бесконечно длинным проводникам, расположенным в вакууме на расстоянии 1 м созда?т силу взаимодействия Н на метр длины проводника.

Вектор магнитной индукции может быть определен с помощью значения максимальной силы, действующей на отрезок проводника с током.

Общая схема введения основных понятий ЭД с помощью метрологического подхода имеет следующий вид, где j - плотность тока, E - напряженность электрического поля.

Аксиоматический способ введения основных понятий ЭД

При аксиоматическом подходе первичной физической величиной в ЭД может быть выбран заряд.

Удобно ввести понятие плотности тока с помощью равенства:

,

где - средняя скорость движения заряженных частиц под действием электромагнитного поля, -объемная плотность заряда. Модуль плотности тока численно равен заряду, проходящему в единицу времени через единицу площади поверхности, перпендикулярной траектории движения зарядов. В таком случае ток - это поток плотности тока

.

Далее основные понятия ЭД можно вводить в следующем порядке:

3. Закон Кулона. Теорема Гаусса

Закон Кулона: Сила электростатического взаимодействия двух неподвижных точечных зарядов в вакууме прямо пропорциональна произведению модулей зарядов, обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними и направлена вдоль прямой линии, соединяющей эти заряды

Закон Кулона может быть записан следующим образом:

где

Теорема Гаусса: поток электрического поля через произвольную замкнутую поверхность равен отношению суммарного заряда, находящегося внутри этой поверхности, к электрической постоянной

.

4. Электрическое поле в диэлектриках. Поляризация

Свободные заряды, имеющиеся в любом проводнике, перемещаются под действием внешнего электрического поля и спустя очень малый промежуток времени создают поле, полностью компенсирующее внешнее. Поэтому напряженность электрического поля внутри проводника (при отсутствии тока) равна нулю. Термин “диэлектрики” был введен Фарадеем. Диэлектриком является любая среда (газ, жидкость или твердое тело), в которой длительное время может существовать электрическое поле. В отличие от проводников в диэлектриках отсутствуют свободные электрические заряды. Т.е. диэлектриками называют тела в которых заряды не могут перемещаться из одной части в другую.

Поляризация.Атомы и молекулы диэлектрика содержат равные количества положительных и отрицательных микроскопических зарядов и в целом электрически нейтральны. В зависимости от строения все диэлектрические вещества можно разделить на три большие группы. К первой группе принадлежат диэлектрики, состоящие из молекул, у которых “центры тяжести” положительных и отрицательных зарядов совпадают (например, бензол и др). Вторую группу диэлектриков составляют такие вещества, как вода, нитробензол и др. В таких веществах молекулы всегда (ив отсутствие внешнего поля) несимметричны, т.е. являются дипольными. К третьей группе относятся кристаллические диэлектрики, имеющие ионное строение (хлористый натрий, хлористый калий и др).

5. Проводники в электрическом поле. Конденсаторы

Проводниками называются вещества, в которых при обычных условиях имеется достаточно много свободных носителей заряда.

Основная особенность проводников - наличие свободных зарядов (электронов), которые участвуют в тепловом движении и могут перемещаться по всему объему проводника. Типичные проводники - металлы.

В отсутствие внешнего поля в любом элементе объема проводника отрицательный свободный заряд компенсируется положительным зарядом ионной решетки. В проводнике, внесенном в электрическое поле, происходит перераспределение свободных зарядов, в результате чего на поверхности проводника возникают нескомпенсированные положительные и отрицательные заряды (рис. 1.5.1). Этот процесс называют электростатической индукцией, а появившиеся на поверхности проводника заряды - индукционными зарядами.

Конденсамтор -- двухполюсник с определённым или переменным значением ёмкости и малой проводимостью; устройство для накопления заряда и энергии электрического поля.

6.Энергия электрического поля

Энергия электрического поля -- Энергия заряженного конденсатора равна работе внешних сил, которую необходимо затратить, чтобы зарядить конденсатор

В формуле мы использовали :

-- Энергия электрического поля

-- Диэлектрическая проницаемость среды

-- Диэлектрическая постоянная

-- Объем занимаемый электрическим полем

-- Напряжение

-- Площадь обкладок

-- Расстояние между обкладками конденсатора

7. Магнитное поле в вакууме. Закон Био-Савара-Лапласа

где: магнитная проницаемость вакуума,

7. Закон полного тока

Одним из важных следствий закона БСЛ является закон полного тока: Циркуляция вектора вдоль произвольного замкнутого контура равна произведению величины тока, протекающего в направлении положительной нормали к поверхности, натянутой на этот контур, на магнитную постоянную . максвелл дифракция кулон конденсатор

8. Сила Лоренца, сила Ампера

зависимость для силы получаем в виде определения для индукции поля

Выражение для силы Ампера, действующей на элемент тока со стороны магнитного поля, может быть получено как следствие силы Лоренца

9. Электромагнитная индукция. Энергия магнитного поля

Электромагнитная индукция -- явление возникновения электрического тока в замкнутом контуре при изменении магнитного потока, проходящего через него.

Энергия магнитного поля равна собственной энергии тока.
Собственная энергия тока численно равна работе, которую должен совершить источник тока для преодоления ЭДС самоиндукции, чтобы создать ток в цепи.

Энергия магнитного поля, созданного током, прямо пропорциональна квадрату силы тока.

Куда пропадает энергия магнитного поля после прекращения тока? - выделяется ( при размыкании цепи с достаточно большой силой тока возможно возникновение искры или дуги)

10. Вычисление электростатических полей.

Математическое выражение принципа суперпозиции для вычисления скалярного потенциала поля имеет вид:

Отметим, что принцип суперпозиции идеально подходит для компьютерных вычислений, и с его помощью можно делать расчеты для полей, наведенных зарядами со сложной конфигурацией.

11. Поле системы зарядов в дальней зоне. Электрический диполь и квадруполь

В дальней зоне потенциал можно представить в виде: где -монополь,-диполь,-квадруполь

Имеют место следующие равенства: , , где по определению вектор называется электрическим моментом системы зарядов,

12. Визуальное представление скалярных и векторных полей. Энергия и силы в электростатическом поле

Энергия электростатического поля - это энергия системы неподвижных точечных зарядов, энергия уединенного заряженного проводника и энергия заряженного конденсатора

Энергия электростатического поля системы точечных зарядов равна:

13. Магнитное поле в веществе

При изучении магнитного поля в веществе различают два типа токов - макротоки и микротоки.

Макротоками называются токи проводимости и конвекционные токи, связанные с движением заряженных макроскопических тел.

Микротоками (молекулярными токами) называют токи, обусловленные движением электронов в атомах, молекулах и ионах.

Магнитное поле в веществе является суперпозицией двух полей: внешнего магнитного поля, создаваемого макротоками и внутреннего, или собственного, магнитного поля, создаваемого микротоками.

Характеризует магнитное поле в веществе вектор , равный геометрической сумме и магнитных полей:

,

14. Кривая намагничивания. Магнитомягкие и магнитотвердые материалы

КРИВАЯ НАМАГНИЧИВАНИЯ- график, показывающий зависимость намагниченности от напряженности магнитного поля. По кривым намагничивания определяются такие характеристики магнитных материалов, как намагниченность насыщения, остаточная намагниченность насыщения, поле насыщения, коэрцитивная сила

Магнитомягкие материалы (электротехнические стали, железоникелевые сплавы, ферриты) определяют малые потери в сердечнике и применяются в устройствах, предназначенных для работы при переменных магнитных потоках (трансформаторы, электродвигатели и др.). Магнитотвердые материалы (углеродистые стали, вольфрамовые сплавы и др.) используются для изготовления постоянных магнитов.

15. Постоянный электрический ток. Закон Ома. Мощность тока.

Постоямнный ток, (англ. direct current) -- электрический ток, который с течением времени не изменяется по величине и направлению.

Закомн Омма -- эмпирический физический закон, определяющий связь электродвижущей силы источника или электрического напряжения U с силой тока I исопротивлением проводника R

Мощность электрического тока -- это отношение произведенной им работы ко времени в течение которого совершена работа.

P=W/t= UI

16. Закон преломления (правило Снелля) - соответствие принципу наименьшего времени (Ферма)

Примнцип Фермам (принцип наименьшего времени Ферма) в геометрической оптике -- постулат, предписывающий лучу света двигаться из начальной точки в конечную точку по пути, минимизирующему (реже -- максимизирующему) время движения (или, что то же самое, минимизирующему оптическую длину пути). В более точной формулировке^[1]: свет выбирает один путь из множества близлежащих, требующих почти одинакового времени для прохождения; другими словами, любое малое изменение этого пути не приводит в первом порядке к изменению времени прохождения.

17. Тонкая линза. Зеркала

Прозрачное тело, ограниченное двумя сферическими поверхностями, называют линзой.

Мы будем рассматривать наиболее простой случай, когда толщина линзы l=|AB| пренебрежимо мала по сравнению с радиусами R1 и R2 поверхностей линзы и расстоянием предмета от линзы.

Такую линзу называют тонкой линзой. В дальнейшем, говоря о линзе, будет подразумеваться именно тонкая линза.

Точки А и B в тонкой линзе расположены столь близко друг к другу, что их можно принять за одну точку, которую называют оптическим центром линзы и обозначают точкой О. Луч света, проходящий через оптический центр линзы, практически не преломляется.

Прямую О1О2, проходящую через центры сферических поверхностей, которые ограничивают линзу, называют ее главной оптической осью. Главная оптическая ось тонкой линзы проходит черезоптический центр. Любую другую прямую, проходящую через оптический центр, называют побочной оптической осью.(мнимое изображение)

Зеркала. Вследствие закона отражения света мнимое изображение предмета располагается симметрично относительно зеркальной поверхности. Размер изображения равен размеру самого предмета.

Сферическим зеркалом называют зеркально отражающую поверхность, имеющую форму сферического сегмента. Центр сферы, из которой вырезан сегмент, называют оптическим центром зеркала. Вершину сферического сегмента называют полюсом. Прямая, проходящая через оптический центр и полюс зеркала, называется главной оптической осью сферического зеркала. Главная оптическая ось выделена из всех других прямых, проходящих через оптический центр, только тем, что она является осью симметрии зеркала.

Дифракцией называется огибание волнами препятствий, встречающихся на их пути, или в более широком смысле - любое отклонение распространения волн вблизи препятствий от законов геометрической оптики. Благодаря дифракции волны могут попадать в область геометрической тени, огибать препятствия, проникать через небольшие отверстия в экранах и т. д. Например, звук хорошо слышен за углом дома, т. е. звуковая волна его огибает.

Явление дифракции объясняется с помощью принципа Гюйгенса (см. § 170), согласно которому каждая точка, до которой доходит волна, служит центром вторичных волн, а огибающая этих волн задает положение волнового фронта в следующий момент времени.

23. Зоны Френеля. Дифракция на отверстии

ФРЕНЕЛЯ ЗОНЫ - участки, на к-рые разбивают поверхность фронта световой волны для упрощения вычислений при определении амплитуды волны в заданной точке про-странства.

ифрамкция Френемля -- дифракционная картина, которая наблюдается на небольшом расстоянии от препятствия, по условиям, когда основной вклад винтерференционную картину дают границы экрана.

ПОЛЯРИЗАЦИЯ СВЕТА - физ. характеристика оптич. излучения, описывающая поперечную анизотропию световых волн, т. е. неэквивалентность разл. направлений в плоскости, перпендикулярной световому лучу.

Диспемрсия свемта (разложение света) -- это явление, обусловленное зависимостью абсолютного показателя преломления вещества от частоты (или длины волны) света (частотная дисперсия), или, то же самое, зависимость фазовой скорости света в веществе от длины волны (или частоты).

Размещено на Allbest.ru