Elektrilaeng ja selle peamised omadused.
looduskaitseseadus elektrilaeng.
Elektrilaeng- on skalaar füüsiline kogus, mis määrab elektromagnetiliste vastasmõjude intensiivsuse. Laengu ühik on [q] ripats.
Elektrilaengu omadused:
1. Elektrilaeng ei ole kindel suurus, on nii positiivseid kui ka negatiivseid laenguid.
2. Elektrilaeng- väärtus on muutumatu. See ei muutu, kui laengukandja liigub.
3. Elektrilaeng lisand.
4. Elektrilaeng mitmekordne elementaar. q = Ne. Seda laengu omadust nimetatakse diskreetsuseks (kvantimiseks).
5. Kokku elektrilaeng mis tahes isoleeritud süsteem säilib. See vara on elektrilaengu jäävuse seadus.
Elektrilaengu jäävuse seadus - elektrilaenguid ei teki ega kao, vaid need ainult kanduvad ühest kehast teise või jaotuvad keha sees ümber.
Elektrostaatika. punktlaeng. Coulombi seadus. Jõudude superpositsiooni põhimõte. Mahupind ja lineaarne laengutihedus.
Elektrostaatika- elektriõpetuse osa, mis uurib liikumatute elektrilaengute vastastikmõju.
punktlaeng on laetud keha, suurus ja kuju, mida võib tähelepanuta jätta.
Coulombi seaduse sõnastus: Kahe punktelektri laengu vahelise elektrostaatilise interaktsiooni tugevus on otseselt võrdeline laengute suuruste korrutisega, pöördvõrdeline nendevahelise kauguse ruuduga ja on suunatud piki neid ühendavat sirgjoont nii, et sarnased laengud tõrjuvad ja erinevalt tasud meelitavad.
Jõudude superpositsiooni põhimõte seisneb selles, et mitme jõu mõju saab asendada ühe – resultandi – toimega. Resultant on ainus jõud, mille tulemus on samaväärne kõigi sellele kehale mõjuvate jõudude samaaegse toimega.
Lineaarne laengutihedus: laeng pikkuseühiku kohta.
Pinnalaengu tihedus: laeng pindalaühiku kohta.
Mahuline laengutihedus: laeng ruumalaühiku kohta.
pinget elektriväli. jõujooned elektrostaatiline väli. Statsionaarse punktlaengu väljatugevus. elektrostaatiline väli. Superpositsiooni põhimõte.
Elektrivälja tugevus- vektorfüüsikalist suurust iseloomustav elektriväli antud punktis ja arvuliselt võrdne välja antud punkti asetatud fikseeritud punktlaengule mõjuva jõu ja selle laengu väärtuse q suhtega.
Elektrostaatilise välja jooned on järgmised omadused:
1. Alati avatud: alustage positiivsetest laengutest (või lõpmatusest) ja lõpetage negatiivsete laengutega (või lõpmatuses).
2 . Nad ei ristu ega puuduta üksteist.
3 . Mida suurem on joonte tihedus, seda suurem on intensiivsus, see tähendab, et väljatugevus on otseselt võrdeline jõujoonte arvuga, mis läbivad joontega risti asetsevat pindalaühikut.
Elektrostaatilise välja potentsiaal. Vektori E välja tsirkulatsioon. Elektrostaatilise välja vektori E tsirkulatsiooni teoreem int. ja diff. vormid ja nende sisu.
Kuna elektrostaatilise välja tugevuse puhul kehtib superpositsiooniprintsiip, siis iga elektrostaatiline väli on potentsiaalne.
Elektrostaatilise välja vektori E tsirkulatsiooni teoreem: Tiraaž E suletud ahelas on L alati null.
In diff. vorm:
Elektrostaatiline väli on potentsiaalne.
Punktlaengu potentsiaalne energia elektrostaatilises väljas. Elektrostaatilise välja potentsiaal. potentsiaaliühtlustuspinnad. Punkt-liikumatu laengu välja potentsiaal. Potentsiaali superpositsiooni põhimõte.
Laengu potentsiaalne energia ühtlases elektrostaatilises väljas on:
potentsiaal - skalaarsuurus on välja energiakarakteristik antud punktis ja on võrdne katselaengu potentsiaalse energia ja selle laengu suhtega.
Potentsiaalide võrdsuspind on pind, millel antud välja potentsiaal omandab sama väärtuse.
Punktliikumatu laengu väljapotentsiaal:
Potentsiaalide superpositsiooniprintsiip- GRU poolt loodud välja potentsiaal laenguga suvalises punktis on võrdne summaga iga laengu tekitatud potentsiaalsed väljad.
hetk
ja omandab potentsiaali energiat
Dipoolil on:
minimaalne higistamine. energia:
asendis (stabiilse tasakaalu asend);
maksimaalne higistamine. energia:
asendis (ebastabiilse tasakaalu asend);
Kõigil muudel juhtudel tekib jõudude moment, mis muudab dipooli stabiilse tasakaalu asendisse.
Välises ebahomogeenses elektrostaatilises väljas mõjub punktdipoolile jõumoment ja sellel dipoolil on potentsiaalne energia
Jõud, mis mõjub punktdipoolile ebaühtlases vormis. meili stat. väli:
Välises heterogeenses meilis. stat. punktdipooli väli jõudude momendi samaaegsel toimel pöördub välja ja jõu suunas, liigub suunas, kus moodul on suurem (venib tugevama välja poole).
Dirigendis.
Dirigendis on vabad. laengud - voolukandjad, mis on võimelised liikuma suvaliselt väikese jõu mõjul. kogu dirigendi ulatuses.
Elektrostaatiline induktsioon on laengute ümberjaotumine juhi pinnal stori toimel. elektrostaatiline väli.
Ümberjagamine laengud peatuvad, kui juhi mis tahes punkt on täidetud. tingimus:
Sest , siis elektrostaatilise välja tugevus mis tahes punktis juhi sees:
Sest siis
- juhi potentsiaal on sama. kogu oma sisemises punktides ja pinnal
Laengute statsionaarse jaotuse tingimused juhis:
2.Toim. juhi sees ei ole laenguid ja indutseeritud laengud jaotuvad
selle pinnal ()
3.Sule väljaspool pinnale juhi vektor on suunatud piki normaalset sellele
pind igas punktis ()
4. Kogu juhi maht on yavl. ekvipotentsiaalipiirkond ja selle pind on ekvipotentsiaalne
Vooluahel magnetväljas. Vooluahelale mõjuvate jõudude moment ja vooluga vooluahela potentsiaalne energia ühtlases magnetväljas. Jõude töö magnetväli vooluahela liigutamisel.
Piki suletud tasast kontuuri (mille kõik punktid asuvad samal tasapinnal) voolava lineaarvoolu I magnetmoment:
S on kontuuriga piiratud pindala; SI-s = A*
Saadud amprijõud, mis mõjub ühtlases magnetväljas voolu kandvale ahelale, on 0.
Seetõttu ei sõltu amprijõudude summaarne moment punkti O valikust, mille suhtes see arvutatakse:
Induktsiooni magnetväljas vooluga I suletud ahelale mõjuvate jõudude moment:
Kui M=0 (st voolu kandev ahel on tasakaaluasendis).
Kui kontuurile mõjub maksimaalne jõudude moment.
Suletud ahela potentsiaalne energia vooluga magnetväljas:
Ampere vägede töö:
Sel juhul moodustab positiivse normaalse suund parempoolse süsteemi. See valem kehtib mis tahes kujuga kontuuri suvalise nihutamise korral magnetväljas.
29. Magnetväli aines. Dia- ja paramagnetite magnetiseerimine. Magnetiseerimisvektor . Vektorvälja tsirkulatsiooniteoreem integraal- ja diferentsiaalkujul.
Iga aine on magnetiline (st võimeline magnetiseeruma välise magnetvälja mõjul)
Juhtivusvool (I, ) on vool, mis tuleneb voolukandjate suunatud liikumisest aines.
Molekulaarvoolud () - voolud, mis on seotud aine aatomites olevate elementaarosakeste orbitaalse liikumise ja pöörlemisega. Igal molekulaarvoolul on magnetmoment.
Diamagnetid on ained, mille aatomite magnetmomendid välise magnetvälja puudumisel on võrdsed nulliga, s.o. aatomi (molekuli) kõigi elementaarosakeste magnetmomendid kompenseeritakse.
Paramagnetid on ained, mille aatomitel on välise magnetvälja puudumisel nullist erinev magnetmoment, kuid nende suund on seetõttu juhuslikult orienteeritud.
Kui diamagnet sisestatakse välisesse magnetvälja, indutseeritakse kõik selle aatomid lisahetk, suunatud välise magnetvälja vastu.
Paramagneti sisestamisel välisesse magnetvälja orienteerub selle aatomite (molekulide) magnetmoment välisvälja suunas.
Aine magnetiseerumine on tingitud üksikute molekulide domineerivast orientatsioonist või induktsioonist ühes suunas. Aine magnetiseerimine põhjustab magnetiseerimisvoolude (molekulaarsed voolud, mis on keskmistatud makroskoopilises piirkonnas):
kus on orienteeritud pinda S läbiva magnetiseerimisvoolu tihedusvektor.
Superpositsiooni põhimõtte kohaselt:
kus on välisvälja induktsioon;
Magnetiseerivate voolude magnetvälja induktsioon.
Magnetiseerimisvektor on kvantitatiivne omadus aine magnetiseeritud olek, mis võrdub selle ruumala magneti füüsiliselt väikese ruumala kogumagnetmomendi suhtega:
SI-s [J] = A/m.
Magnetostaatilise välja vektori tsirkulatsiooni teoreem diferentsiaalkujul:
mis tahes magnetostaatilise välja punktis on vektori rootor võrdne samas punktis oleva magnetiseerimisvoolutiheduse vektoriga.
Elektrostaatika -see on füüsika haru, mis uurib valitud inertsiaalse tugiraamistiku suhtes statsionaarsete elektrilaengute süsteemide vastasmõju ja omadusi.
Kogu loodusnähtuste mitmekesisus põhineb elementaarosakeste neljal fundamentaalsel vastasmõjul
gravitatsiooniline,
elektromagnetiline,
Elektrilaeng – kandja elektromagnetiline interaktsioon.
Laengute põhiomadused
1. Elektrilaeng võib olla kahte tüüpi: positiivne(kui nahka hõõrutakse vastu klaasi) ja negatiivne(karusnaha hõõrdumisel eboniidiga). Sama märgiga elektrilaengutega kehad tõrjuvad üksteist, vastasmärgiliste laengutega kehad tõmbavad ligi.
2. Elektrilaengukandjad on laetud elementaarosakesed, millega elementaarlaeng(Coulomb on elektrilaengu SI ühik)
prooton on positiivne laengukandja (+ e), (m lk\u003d 1,6710 -27 kg);
elektron - negatiivse laengu kandja (- e), (m e\u003d 9,1110 -31 kg).
Mis tahes muu keha laeng on selle täisarvuline kordne elementaarne elektrilaeng.
3. Elektrilaengu jäävuse põhiseadus(teostatakse elementaarosakeste sünni- ja hävitamisprotsessides): üheski elektriliselt isoleeritud süsteemis laengute algebraline summa ei muutu .
4. Elektrilaeng on relativistcki muutumatu: selle väärtus ei sõltu tugiraamistikust ega sõltu seetõttu sellest, kas see liigub või puhkab.
Niisiis, keha positiivselt laadimine tähendab temalt äravõtmist teatud arv elektrone ja negatiivselt laadida – öelda kehale teatud arv lisaelektrone. Pange tähele, et kehade laenguid suurusjärgus 1 nC = 10 -9 C võib pidada juba üsna märkimisväärseteks. Selleks, et kehal oleks selline laeng, peab elektronide arv selles erinema prootonite arvust võrra! asju.
Kehade klassifikatsioon sõltuvalt tasuta laengute kontsentratsioonist
dirigendid(laengute vaba liikumisega kered kogu mahu ulatuses);
dirigendidmalahke- metallid (laengud liiguvad ilma keemiliste muundumisteta);
dirigendidIIlahke- elektrolüüdid (laengute liikumisega kaasnevad keemilised muutused);
Pooljuhid(piiratud laengute liikumisega kehad);
Dielektrikud(asutused, kus tasuta tasusid praktiliselt pole);
Elektrilaengu ühik Coulomb on vooluühiku tuletis, see on elektrilaeng, mis läbib juhi ristlõiget voolutugevusega 1 A 1 s (1Cl = 1A1s) jooksul.
Riis. 1. Interaktsiooni skeem punktitasud
,
(1)
kus k– proportsionaalsuse koefitsient, olenevalt mõõtühikute valikust. SI süsteemis
- elektriline konstant.
Tugevus F helistas Coulombi jõud, on see külgetõmbejõud, kui laengutel on erinevad märgid (joonis 1), ja tõukejõud, kui laengud on sama märgiga.
Kui elektrilaengud asetatakse dielektriku sisse, siis elektrilise vastastikmõju tugevus väheneb vastavalt avaldisele:
,
(2)
kus 
- keskkonna dielektriline läbilaskvus, mis näitab, mitu korda on dielektriku punktlaengute vastastikmõju väiksem kui nende vastasmõju jõud vaakumis.
Mõnede ainete dielektriliste konstantide väärtused
Elektrilaeng on füüsikaline suurus, mis iseloomustab osakeste või kehade võimet astuda elektromagnetilistesse vastasmõjudesse. Elektrilaengut tähistatakse tavaliselt tähtedega q või K. SI-süsteemis mõõdetakse elektrilaengut kulonides (C). Tasuta laeng 1 C on hiiglaslik tasu, mida looduses praktiliselt ei leidu. Reeglina peate tegelema mikrokulonidega (1 μC = 10 -6 C), nanokulonidega (1 nC = 10 -9 C) ja pikokulombidega (1 pC = 10 -12 C). Elektrilaengul on järgmised omadused:
1. Elektrilaeng on omamoodi asi.
2. Elektrilaeng ei sõltu osakese liikumisest ja selle kiirusest.
3. Laenguid saab üle kanda (näiteks otsekontakti teel) ühelt kehalt teisele. Erinevalt kehamassist ei ole elektrilaeng antud kehale omane. Seesama keha erinevad tingimused võivad olla erinevad tasud.
4. On kahte tüüpi elektrilaenguid, mida nimetatakse tavapäraselt positiivne Ja negatiivne.
5. Kõik laengud suhtlevad üksteisega. Samal ajal nagu laengud tõrjuvad üksteist, erinevalt laengud tõmbavad. Laengute vastastikmõju jõud on tsentraalsed, see tähendab, et need asuvad laengute keskpunkte ühendaval sirgel.
6. Seal on väikseim võimalik (moodul) elektrilaeng, nn elementaarlaeng. Selle tähendus:
e= 1,602177 10 -19 C ≈ 1,6 10 -19 C
Iga keha elektrilaeng on alati elementaarlaengu kordne:
kus: N on täisarv. Pange tähele, et tasu ei saa olla 0,5 e; 1,7e; 22,7e jne. Nimetatakse füüsikalisi suurusi, mis võivad võtta ainult diskreetse (mitte pideva) väärtuste jada kvantiseeritud. elementaarlaeng e on elektrilaengu kvant (väikseim osa).
7. Elektrilaengu jäävuse seadus. Eraldatud süsteemis jääb kõigi kehade laengute algebraline summa konstantseks:
Elektrilaengu jäävuse seadus ütleb, et suletud kehade süsteemis ei ole võimalik jälgida ainult ühe märgiga laengute sünni või kadumise protsesse. Laengu jäävuse seadusest tuleneb ka see, kui kahel sama suuruse ja kujuga kehal on laenguid q 1 ja q 2 (pole oluline, mis märgiga laengud on), viige kokku ja seejärel lahkuge, siis muutub mõlema keha laeng võrdseks:
Tänapäeva vaatenurgast on laengukandjad elementaarosakesed. Kõik tavalised kehad koosnevad aatomitest, sealhulgas positiivselt laetud prootonid, negatiivselt laetud elektronid ja neutraalsed osakesed neutronid. Prootonid ja neutronid on osa aatomituumadest, elektronid moodustavad aatomite elektronkihi. Prootoni ja elektroni mooduli elektrilaengud on täpselt samad ja võrdsed elementaarlaenguga (see tähendab minimaalse võimaliku) laenguga. e.
Neutraalses aatomis võrdub prootonite arv tuumas elektronide arvuga kestas. Seda arvu nimetatakse aatomnumbriks. Teatud aine aatom võib kaotada ühe või mitu elektroni või omandada täiendava elektroni. Nendel juhtudel muutub neutraalne aatom positiivselt või negatiivselt laetud iooniks. Pange tähele, et positiivsed prootonid on osa aatomi tuumast, mistõttu nende arv võib muutuda ainult tuumareaktsioonide käigus. Ilmselt ei toimu kehade elektrifitseerimisel tuumareaktsioone. Seetõttu ei muutu ühegi elektrinähtuse korral prootonite arv, muutub ainult elektronide arv. Seega tähendab kehale negatiivse laengu andmine täiendavate elektronide ülekandmist sellele. Ja sõnum positiivsest laengust, vastupidiselt levinud viga, ei tähenda prootonite liitmist, vaid elektronide lahutamist. Laengut saab ühelt kehalt teisele üle kanda ainult osadena, mis sisaldavad täisarv elektrone.
Mõnikord probleemide korral jaotub elektrilaeng mõne keha peale. Selle jaotuse kirjeldamiseks võetakse kasutusele järgmised suurused:
1. Lineaarne laengutihedus. Kasutatakse laengu jaotuse kirjeldamiseks piki hõõgniidi:
kus: L- keerme pikkus. Mõõdetud C/m.
2. Pinnalaengu tihedus. Kasutatakse laengu jaotumise kirjeldamiseks keha pinnal:
kus: S on keha pindala. Mõõdetud C / m 2.
3. Mahulaadimise tihedus. Kasutatakse laengu jaotuse kirjeldamiseks keha ruumala vahel:
kus: V- keha maht. Mõõdetud C / m 3.
Pange tähele, et elektroni mass on võrdne:
me\u003d 9,11 ∙ 10 -31 kg.
Coulombi seadus
punktlaeng nimetatakse laetud kehaks, mille mõõtmed võib antud ülesande tingimustes tähelepanuta jätta. Arvukate katsete põhjal kehtestas Coulomb järgmise seaduse:
Fikseeritud punktlaengute koosmõju jõud on otseselt võrdeline laengumoodulite korrutisega ja pöördvõrdeline nendevahelise kauguse ruuduga:
kus: ε – keskkonna dielektriline läbilaskvus – mõõtmeteta füüsikaline suurus, mis näitab, mitu korda on elektrostaatilise vastasmõju jõud antud keskkonnas väiksem kui vaakumis (st mitu korda keskkond nõrgendab vastastikmõju). Siin k- Coulombi seaduse koefitsient, väärtus, mis määrab laengute vastasmõju jõu arvväärtuse. SI-süsteemis võetakse selle väärtus võrdseks:
k= 9∙10 9 m/F.
Punktide vastasmõju jõud statsionaarsed laengud järgivad Newtoni kolmandat seadust ja on üksteise vastu tõrjuvad jõud, millel on samad laengumärgid ja üksteise külgetõmbejõud. erinevad märgid. Fikseeritud elektrilaengute vastastikmõju nimetatakse elektrostaatiline või Coulombi interaktsiooni. Elektrodünaamika osa, mis uurib Coulombi interaktsiooni, nimetatakse elektrostaatika.
Punktlaenguga kehade, ühtlaselt laetud kerade ja kuulide puhul kehtib Coulombi seadus. Sel juhul vahemaade jaoks r võtke kaugus kerade või kuulide keskpunktide vahel. Praktikas on Coulombi seadus hästi täidetud, kui laetud kehade mõõtmed on palju väiksemad kui nendevaheline kaugus. Koefitsient k SI-süsteemis kirjutatakse mõnikord järgmiselt:
kus: ε 0 \u003d 8,85 10 -12 F / m - elektriline konstant.
Kogemused näitavad, et Coulombi interaktsiooni jõud järgivad superpositsiooniprintsiipi: kui laetud keha interakteerub samaaegselt mitme laetud kehaga, siis sellele kehale mõjuv jõud on võrdne sellele kehale kõigist teistest laetud kehadest mõjuvate jõudude vektorsummaga. kehad.
Pidage meeles ka kahte olulised määratlused:
dirigendid- ained, mis sisaldavad vabu elektrilaengu kandjaid. Juhi sees on võimalik elektronide - laengukandjate vaba liikumine (juhtidel, elektrit). Juhtide hulka kuuluvad metallid, elektrolüütide lahused ja sulamid, ioniseeritud gaasid ja plasma.
Dielektrikud (isolaatorid)- ained, milles puuduvad vabad laengukandjad. Elektronide vaba liikumine dielektrikute sees on võimatu (elektrivool ei saa neist läbi voolata). Just dielektrikutel on teatud läbitavus, mis ei võrdu ühtsusega ε .
Aine läbilaskvuse kohta kehtib järgmine (mille kohta on elektriväli veidi madalam):
