Общая физика/Электростатика

Электростатика — раздел, изучающий взаимодействие неподвижных электрических зарядов.

Основные понятия

Электрическое поле в вакууме

Раздел электростатики, рассматривающий взаимодействие неподвижных заряженных тел в пустоте, отвлекаясь от всех видов полей и взаимодействий, кроме электромагнитного.

Закон Кулона

Основной закон электростатики, открыт французом Шарлем Огюстеном де Кулоном в 1785 году. Формулируется в виде: Сила взаимодействия двух неподвижных точечных зарядов в вакууме прямо пропорциональная произведению модулей этих зарядов и обратно пропорциональная квадрату расстояния между ними; направлена вдоль прямой, соединяющей эти заряды. Эта сила является силой отталкивания, если заряды одноимённые, и силой притяжения, если заряды разноимённые. Точечность зарядов означает, что линейные размеры заряженных тел, на которых сосредоточен заряд, пренебрежимо малы по сравнению с расстоянием от тела до точки наблюдения.

Коэффициент пропорциональности в законе Кулона в системе СГС равен единице.

Напряженность поля

Напряженность поля - силовая характеристика электрического поля. Определяется отношением силы, действующей на пробный заряд, внесённый в электрическое поле, к величине самого заряда. За единицу напряжённости электрического поля принимается напряжённость такого поля, которое на заряд в один кулон действует с силой в один ньютон. В системе СИ измеряется в [В/м] - [вольт на метр].

Потенциал

Потенциал поля - энергетическая характеристика электрического поля. Равен отношению потенциальной энергии пробного заряда в данной точке электрического поля к самому этому заряду. Можно также дать следующее определение потенциала: это отношение работы, которую необходимо совершить по перемещению единичного положительного заряда из данной точки электрического поля в бесконечность, к величине этого заряда. Суть потенциала можно пояснить следующим примером. Пусть имеется некоторый неподвижный положительный заряд Q, создающий вокруг себя электростатическое поле. Поместим теперь в некоторую точку этого поля пробный положительный заряд. Согласно закону Кулона между одноимёнными зарядами возникает сила отталкивания. Так как заряд Q считается неподвижным, то пробный заряд под действием этой силы будет удаляться от него до тех пор, пока эта сила не перестанет действовать. Так как радиус действия электромагнитного поля равен бесконечности, то и заряд будет вытесняться на бесконечность. Работа по выталкиванию заряда из электрического поля на бесконечность совершается за счёт самого электрического поля, а работа по перемещению заряда из бесконечности в данную точку совершается против сил электрического поля за счёт сторонних сил и переходит в потенциальную энергию заряда. Потенциал определён с точностью до произвольной аддитивной постоянной. Поэтому в физике играет значение не само значение потенциала, а понятие разности потенциалов между двумя точками. Если потенциалу в одной точке приписать некоторое значение, то потенциал любой другой точки будёт определён однозначно. Единица измерения потенциала и разности потенциалов в СИ: [Вольт].

Диполь

Электрический диполь - система, состоящая из двух одинаковых по модулю, но противоположных по знаку электрических зарядов, находящихся на некотором расстоянии друг от друга. Расстояние между зарядами называется плечом диполя. Если плечо диполя пренебрежимо мало по с сравнению с расстоянием до точки наблюдения, то такой диполь называется точечным. Дипольный момент - это произведение модуля заряда диполя на его плечо; является векторной величиной и направлен от отрицательного заряда к положительному. В электрическом поле диполь может находиться в двух положениях равновесия: устойчивом (когда диполь параллелен полю) и неустойчивом (когда он антипараллелен полю.)

Электрическое поле в веществе

Диэлектрик

К диэлектрикам (изоляторам) относятся вещества, не имеющие свободных носителей заряда, а потому не проводящие электрический ток. Это объясняется тем, что валентные электроны атомов достаточно сильно связаны с атомным остовом и не могут быть переведены в свободное состояние сообщением энергии прежде, чем вещество разрушится, т.е. энергия ионизации атомов у таких веществ достаточно велика. Диэлектриками считаются вещества с шириной запрещённой зоны более 3 эВ. Однако, деление веществ по их проводимости (или удельному сопротивлению) на проводники, полупроводники и диэлектрики достаточно условно.

Поляризация

При внесении диэлектрика в постоянное электрическое поле происходит его поляризация. Поляризация - это смещение положительных и отрицательных зарядов диэлектрика в противоположные стороны внутри молекул с образованием электрических диполей. Молекулы, обладающие дипольным моментов уже в отсутствие внешнего поля, называются полярными. Молекулы, не обладающие собственным дипольным моментом, называются неполярными. Степень поляризации характеризуется вектором поляризации, который определяется суммарным дипольным моментом единицы объёма диэлектрика. Существует три механизма поляризации в зависимости строения вещества диэлектрика. Электронный механизм - характерен для неполярных молекул. В этом случае при внесении диэлектрика в поле валентные электроны, не отрываясь от своих атомов, стремятся расположиться против поля, а атомный остов (имеющий положительный заряд) - по полю. Вследствие этого возникают диполи с некоторым дипольным моментом и образуется дополнительное поле диэлектрика, которое направлено противоположно внешнему. Так как эти поля направлены противоположно друг другу, то поле диэлектрика будет ослаблять внешнее поле и результирующая будет меньше исходного поля. Так как макроскопического движения зарядов не происходит (заряды "связаны"), то диэлектрик, оставаясь в целом электрически нейтральным, будет иметь положительно и отрицательно заряженные стороны ("полюса"). Поэтому получить две разноимённые части диэлектрика, разделив его пополам, невозможно. Каждая часть будет иметь разноимённо заряженные "полюса". Ориентационный механизм

Проводники

Поляризация металлов