Напряженность электрического поля

Лекция №5

Концепция электромагнетизма

Взаимодействие зарядов. Основы электростатики

Этапы изучения электричества

§ VII в. до н.э. – Фалес Милетский (624-547 до н.э.). Обнаружил способность янтаря, потёртого о шерсть, притягивать предметы

§ 1600 – Уильям Гильберт(1540-1603). Обнаружил похожие свойства у стекла и других веществ, потёртых о шёлк. Ввёл термин «электричество»:

Ηλεκτρον – янтарь (греч.)

§ 1747-1754 – Бенджамин Франклин(1706-1790). Провел серию экспериментов с электричеством. Выдвинул первую теорию электрических явлений

§ 1785 – Шарль Кулон(1736-1806). Открыл закон взаимодействия точечных зарядов

§ 1845 – Майкл Фарадей(1791-1867). Концепция электрического поля

Свойства электрических зарядов

§ Электрический заряд существует в двух видах: положительный заряд и отрицательный заряд

Демонстрация «Электризация трением»:

v Электростатический маятник;

v Электрофорная машина

Демонстрация «Электрометр»

Демонстрация «Султанчики»

§ Электрический заряд квантован. Минимальная порция заряда равна заряду электрона по абсолютной величине. Следовательно, произвольный заряд определяется как q=±Ne, где e = 1,6·10^–19 Кл – заряд электрона; N – целое число

§ Электрический заряд является релятивистски инвариантным: его величина одинакова во всех инерциальных системах отсчета

§ В любой электрически изолированной системе алгебраическая сумма зарядов не изменяется. Это утверждение выражает закон сохранения электрического заряда

Закон Кулона

Точечный заряд– заряженное тело, размерами которого в данных условиях можно пренебречь.

Закон взаимодействия точечных зарядов:Сила взаимодействия между двумя точечными зарядами пропорциональна произведению величин зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними:

Полевая трактовка взаимодействия электрических зарядов

Рассмотрим развитие взглядов на механизм взаимодействия зарядов. Когда Шарль Кулон открыл свой закон, он придерживался так называемого принципа дальнодействия. Т.е. заряды на расстоянии непосредственно распознают заряд друг друга и расстояние и в соответствии с этим взаимодействуют. Существование такой точки зрения легко объяснимо с житейских позиций: мы в реальной жизни легко распознаем на расстоянии цвет предметов, звук, запах и т.д. Так и заряды распознают друг друга на расстоянии. Однако, в наше время такое объяснение может удовлетворить разве что домохозяек, насмотревшихся бразильских телесериалов. Ведь то, что мы распознаём цвет предметов, обусловлено тем, что к нам в глаз попадает свет, отражённый от интересующего нас предмета. Слышимый нами звук – не что иное, как звуковая волна, достигающая наших ушей. Запах предмета мы чувствуем из-за того, что к нам в нос попадают молекулы вещества, из которого он состоит. Т.е. во всех перечисленных ситуациях имеется некий посредник, который доносит до нас информацию о предмете. Т.е. имеет место принцип близкодействия.

Подобные рассуждения заставили Майкла Фарадея в 1831 г. высказать предположение, что и взаимодействие зарядов тоже осуществляется в соответствии с принципом близкодействия. Другими словами, существует посредник, передающий от заряда к заряду информацию об их электрических свойствах. Этот посредник получил название электрическое поле. Если говорить только о законе Кулона, то здесь обе концепции – близкодействия и дальнодействия – приводят к одинаковым результатам. Однако, развитие полевой концепции в конце концов привело к предсказанию и обнаружению электромагнитных волн, существование которых никоим образом не вписывается в концепцию дальнодействия.

Таким образом, мы, начиная с текущего момента, становимся на позицию близкодействия. В современной интерпретации её можно сформулировать таким образом:

1) При появлении в некоторой точке пространства электрического заряда во все остальные точки пространства со скоростью света распространяется информация о местонахождении, знаке и величине этого заряда.

2) Носителем этой информации и является электрическое поле.

3) «Считать» эту информацию мы можем, помещая в различные точки пространства «пробный» заряд q_пр. На него должна действовать Кулоновская сила

§ Концепция дальнодействия: Взаимодействие между телами осуществляется непосредственно через пустое пространство, которое не принимает участия в передаче взаимодействий. Передача взаимодействия от тела к телу происходит мгновенно (с бесконечной скоростью).

§ Концепция близкодействия: Взаимодействие передается через посредника – электрическое поле. Скорость распространения не бесконечна и равна скорости света в вакууме.

Напряженность электрического поля

Численно и по направлению совпадает с силой, действующей на единичный положительный заряд:

Силовые линии электрического поля (Линии напряжённости э.п.):

§ Касательная к ним совпадает с напряженностью электрического поля

§ Густота линий пропорциональна величине напряженности

§ Начинаются на положительных зарядах и заканчиваются на отрицательных

Разобрать по слайдам построение силовых линий для изолированных положительного и отрицательного зарядов.

Принцип суперпозиции:Напряжённость поля системы зарядов равна векторной сумме напряжённостей полей, которые создавал бы каждый из зарядов системы в отдельности

Разобрать по слайдам построение силовых линий для пар точечных зарядов разных знаков и одного знака.

Демонстрация «Силовые линии электрического поля» (просвечивание кюветы с манной крупой в масле)

v Линии взаимодействия разноимённых зарядов

v Линии в плоском конденсаторе

v Электростатическая защита

v Линии от поверхности различной кривизны (острие)

Демонстрация «Электрический ветер»

Демонстрация «Диэлектрик в электрическом поле: парафиновый эллипсоид в поле конденсатора».

Демонстрация «Энергия конденсатора»

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: