Тема 4: електрика та магнетизм
Лекція 14. Електричне поле у вакуумі та середовищі
План
Електростатичне поле в вакуумі. Закон Кулона.
Напруженість електричного поля. Електричний диполь.
Потік вектора. Теорема Гаусса.
Робота електростатичного поля. Циркуляція електростатичного поля. Потенціал.
Провідники в електростатичному полі. Електричне поле усередині та ззовні провідника. Поверхнева густина заряду.
Електричне поле в діелектриках. Поляризація діелектрика. Об'ємні та поверхневі зв'язані заряди. Поляризованість.
Електроємність. Конденсатори. Енергія взаємодії електричних зарядів. Енергія заряджених провідника та конденсатора. Густина енергії електростатичного поля.
1. Електростатичне поле в вакуумі. Закон Кулона.
Електростатика - це розділ фізики, який вивчає заряджені тіла (або частинки) у стані спокою та їх взаємодію. Всі тіла складаються з атомів, утворених з негативно заряджених частинок (електронів) і позитивно заряджених частинок (протонів). У нейтральному атомі число електронів і протонів однакове, у не наелектризованому тілі — теж.
Під час електризації
відбувається перерозподіл електронів
між двома тілами, що взаємодіють.
Протон і електрон
— носії елементарного (найменшого
неподільного) заряду:
Наслідком цього перерозподілу є нескомпенсований заряд обох тіл.
У електрично нейтрального тіла сумарний позитивний заряд чисельно дорівнює сумарному негативному. При електризації тіл заряди від одного тіла переходять до іншого, але у замкненій системі тіл алгебраїчна сума зарядів не змінюється. В цьому полягає сутність закону збереження заряду:
При будь-яких взаємодіях тіл електричні заряди не виникають і не знищуються, а тільки передаються від одного тіла іншому, тобто перерозподіляються між тілами, що утворюють систему.
Основний закон електрики - закон Кулона:
Сила взаємодії F двох нерухомих точкових зарядів q1 та q2 у вакуумі прямо пропорційна добуткові модулів цих зарядів та обернено пропорційна квадрату відстані між ними і напрямлена вздовж прямої, що сполучає ці заряди:
k- коефіцієнт пропорційності. У випадку вакууму він дорівнює
Він також може бути записаний у вигляді:
де ε0 – стала, яку називають діелектричною проникненістю вакууму, або електричною сталою:
Отже, закон Кулона для вакууму має вигляд:
У векторній формі він записується таким чином:
і справедливий лише для точкових зарядів.
Щоб визначити силу взаємодії між зарядженими тілами, коли їх не можна вважати точковими, треба подумки поділити їх на елементи, які можна вважати точками. Тоді сила взаємодії дорівнюватиме векторній сумі сил, прикладених до всіх зарядів другого тіла з боку всіх елементів першого тіла. Експериментально встановлено, що закон Кулона справджується на відстанях від 10-17 м до 10-7 м.