Электростатика и постоянный ток

Основные формулы

ЗАКОН КУЛОНА. НАПРЯЖЕННОСТЬ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ

· Закон Кулона

,

где F — сила взаимодействия двухточечных зарядов Q₁и Q₂; r — расстояние между зарядами; e — диэлектрическая проницаемость среды; e₀ — электрическая постоянная:

.

Закон сохранения заряда

,

где — алгебраическаясумма зарядов,входящихв изолированную систему; n — число зарядов.

· Напряженность электрического поля

,

где — сила, действующая на точечный положительный заряд Q, помещенный в данную точку поля.

· Сила, действующая на точечный заряд Q, помещенный в электрическое поле

.

· Поток вектора напряженности электрического поля:

а) через произвольную поверхность S, помещенную в неоднородное поле,

или ,

где a — угол между вектором напряженности и нормалью к элементу поверхности; — площадь элемента поверхности; E_n — проекция вектора напряженности на нормаль;

б) через плоскую поверхность, помещенную в однородное электрическое поле

Ф_E=ЕScosa.

· Поток вектора напряженности через замкнутую поверхность

,

где интегрирование ведется по всей поверхности.

· Теорема Остроградского — Гаусса. Поток вектора напряженности через любую замкнутую поверхность, охватывающую заряды Q_l, Q₂, . . ., Q_n

,

где — алгебраическая сумма зарядов, заключенных внутри замкнутой поверхности; п — число зарядов.

· Напряженность электрического поля, создаваемого точечным зарядом Q на расстоянии r от заряда

.

Напряженность электрического поля, создаваемого металлической сферой радиусом R, несущей заряд Q, на расстоянии r от центра сферы:

а) внутри сферы (r<R) E=0;

б) на поверхности сферы (r=R) ;

в) вне сферы (r>R) .

· Принцип суперпозиции (наложения) электрических полей, согласно которому напряженность результирующего поля, созданного двумя (и более) точечными зарядами, равна векторной (геометрической) сумме напряженностей складываемых полей:

.

В случае двух электрических полей с напряженностями и модуль вектора напряженности

,

где a — угол между векторами и .

· Напряженность поля, создаваемого бесконечно длинной равномерно заряженной нитью (или цилиндром) нарасстоянии r от ее оси

,

где t — линейная плотность заряда.

Линейная плотность заряда распределенного по нити (цилиндру) есть величина, равная заряду, приходящемуся на единицу ее длины:

· Напряженность поля, создаваемого бесконечной равномерно заряженной плоскостью,

где s — поверхностная плотность заряда.

Поверхностная плотность заряда распределенного по поверхности есть величина, равная заряду, приходящемуся на единицу этой поверхности:

.

· Напряженность поля, создаваемого двумя параллельными бесконечными равномерно и разноименно заряженными плоскостями, с одинаковой по модулю поверхностной плотностью заряда (поле плоского конденсатора)

.

Приведенная формула справедлива для вычисления напряженности поля между пластинами плоского конденсатора (в средней части его) только в том случае, если расстояние между пластинами много меньше линейных размеров пластин конденсатора.

· Электрическое смещение связано с напряженностью электрического поля соотношением

.

Это соотношение справедливо только дляизотропных диэлектриков.

· Циркуляция вектора напряженности электрического поля есть величина, численно равная работе по перемещению единичного точечного положительного заряда вдоль замкнутого контура. Циркуляция выражается интегралом по замкнутому контуру , где E_l – проекция вектора напряженности в данной точке контура на направление касательной к контуру в той же точке.

В случае электростатического поля циркуляция вектора напряженности равна нулю:

.

ПОТЕНЦИАЛ. ЭНЕРГИЯ СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЗАРЯДОВ. РАБОТА ПО ПЕРЕМЕЩЕНИЮ ЗАРЯДА В ПОЛЕ

· Потенциал электрического поля есть величина, равная отношению потенциальной энергии точечного положительного заряда, помещенную в данную точку поля, к этому заряду

j = /Q,

или потенциал электрического поля есть величина, равная отношению работы сил поля по перемещению точечного положительного заряда из данной точки поля в бесконечность к этому заряду:

j =A/Q.

Потенциал электрического поля в бесконечности условно принят равным нулю.

Отметим, что при перемещении заряда в электрическом поле работа A_в.с внешних сил равна по модулю работе A_с.п сил поля и противоположна ей по знаку:

A_в.с= – A_с.п.

· Потенциал электрического поля, создаваемый точечным зарядом Q на расстоянии r от заряда,

.

· Потенциал электрического поля, создаваемого металлической, несущей заряд Q сферой радиусом R, на расстоянии r от центра сферы:

внутри сферы (r<R) ;

на поверхности сферы (r=R) ;

вне сферы (r>R) .

Во всех приведенных для потенциала заряженной сферы формулах e есть диэлектрическая проницаемость однородного безграничного диэлектрика, окружающего сферу.

· Потенциал электрического поля, созданного системой п точечных зарядов, в данной точке в соответствии с принципом суперпозиции электрических полей равен алгебраическойсуммепотенциалов j₁, j₂, ... , j_n, создаваемых отдельными точечными зарядами Q₁, Q₂, ..., Q_n:

.

· Энергия W взаимодействия системы точечных зарядов Q₁, Q₂, ..., Q_n определяется работой, которую эта система зарядов может совершить при удаленииих относительно друг друга в бесконечность, и выражается формулой

,

где — потенциал поля, создаваемого всеми п–1 зарядами (за исключением i-го) в точке, где расположен заряд Q_i.

· Потенциал связан с напряженностью электрического поля соотношением

.

В случае электрического поля, обладающего сферической симметрией, эта связь выражается формулой

,

или в скалярной форме

,

а в случае однородного поля, т. е. поля, напряженность которого в каждой точке его одинакова как по модулю, так и по направлению

,

где j₁ и j₂ — потенциалы точек двух эквипотенциальных поверхностей; d – расстояние между этими поверхностями вдоль электрической силовой линии.

· Работа, совершаемая электрическим полем при перемещении точечного заряда Q из одной точки поля, имеющей потенциал j₁, в другую, имеющую потенциал j₂

A=Q(j₁ – j₂), или

где E_l — проекция вектора напряженности на направление перемещения; dl — перемещение.

В случае однородного поля последняя формула принимает вид

A=QElcosa,

где l — перемещение; a — угол между направлениями вектора и перемещения .

• Диполь есть система двух точечных электрических зарядов равных по размеру и противоположных по знаку, расстояние l ме­жду которыми значительно меньше расстояния r от центра диполя до точек наблюдения.

Вектор проведенный от отрицательного заряда диполя к его положительному заряду, называется плечом диполя.

Произведение заряда |Q| диполя на его плечо называется электрическим моментом диполя:

.

· Напряженность поля диполя

или ,

где р - электрический момент диполя; r - модуль радиуса-вектора, проведенного от центра диполя к точке, напряженность поля в которой нас интересует; α- угол между радиусом-вектором и плечом диполя.

· Потенциал поля диполя

или

· Механический момент, действующий на диполь с электрическим моментом , помещенный в однородное электрическое поле с напряженностью

или M=pE sin ,

где α- угол между направлениями векторов и .

В неоднородном электрическом поле кроме механического момента (пары сил) на диполь действует еще некоторая сила. В случае поля, обладающего симметрией относительно оси х,сила выражается соотношением

где - частная производная напряженности поля, характеризующая степень неоднородности поля в направлении оси х.

При сила F_хположительна. Это значит, что под действием ее диполь втягивается в область сильного поля.

• Потенциальная энергия диполя в электрическом поле

ЭЛEКTPИЧECКAЯ EMКOCTЬ. КOHДEHCATOPЫ

· Электрическая емкость уединенного проводника или конденсатора

C=ΔQ/Δφ,

где ΔQ - заряд, сообщенный проводнику (конденсатору); Δφ - изменение потенциала, вызванное этим зарядом.

· Электрическая емкость уединенной проводящей сферы радиусом R, находящейся в бесконечной среде с диэлектрической проницаемостью ε

Если сфера полая и заполнена диэлектриком, то электроемкость ее от этого не изменяется.

· Электрическая емкость плоского конденсатора

,

где S - площадь пластин (каждой пластины); d - расстояние между ними; ε – диэлектрическая проницаемость диэлектрика, заполняющего пространство между пластинами.

Электрическая емкость плоского конденсатора, заполненного п слоями диэлектрика толщиной d_i каждый с диэлектрическими проницаемостями , (слоистый конденсатор)

· Электрическая емкость сферического конденсатора (две концентрические сферы радиусами R₁и R₂, пространство между которыми заполнено диэлектриком с диэлектрической проницаемостью ε)

· Электрическая емкость цилиндрического конденсатора (два коаксиальных цилиндра длиной l и радиусами R₁и R₂, пространство между которыми заполнено диэлектриком с диэлектрической проницаемостью ε)

· Электрическая емкость С последовательно соединенных конденсаторов:

в общем случае где п - число конденсаторов;

в случае двух конденсаторов

в случае п одинаковых конденсаторов с электроемкостью С₁ каждый

C=C₁/n.

· Электрическая емкость параллельно соединенных конденсаторов:

в общем случае C=C₁+C₂+...+C_n;

в случае двух конденсаторов C=C₁+C₂;

в случае п одинаковых конденсаторов с электроемкостью С₁ каждый C=nC₁.

ЭНЕРГИЯ ЗАРЯЖЕННОГО ПPOBOДHИКA. ЭНЕРГИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ

· Энергия заряженного проводника выражается через заряд Q, потенциал φ и электрическую емкость С проводника следующими соотношениями:

.

· Энергия заряженного конденсатора

где С- электрическая емкость конденсатора; U - разность потенциалов на его пластинах.

· Объемная плотность энергии (энергия электрического поля, приходящаяся на единицу объема)

где Е - напряженность электрического поля в среде с диэлектрической проницаемостью ε; D - электрическое смещение.

ОСНОВНЫЕ ЗАКОНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА

· Сила постоянного тока

I=Q/t,

где Q - количество электричества, прошедшее сечение проводника за время t.

· Плотность электрического тока есть векторная величина, равная отношению силы тока к площади S поперечного сечения проводника:

где - единичный вектор, по направлению совпадающий с направлением движения положительных носителей заряда.

· Сопротивление однородного проводника

R=ρl/S,

где ρ - удельное сопротивление вещества проводника; l - его длина.

· Проводимость G проводника и удельная проводимость γ вещества

G=1/R, γ=l/ρ.

· Зависимость удельного сопротивления от температуры

ρ=ρ₀(1+αt),

где ρ и ρ₀ - удельные сопротивления соответственно при t и 0 ˚С; t -температура (по шкале Цельсия); α – температурный коэффициент сопротивления.

· Сопротивление соединения проводников:

последовательного

параллельного

Здесь R_i - сопротивление i-гопроводника; п - число проводников.

· Закон Ома:

для неоднородного участка цепи

для однородного участка цепи ;

для замкнутой цепи .

Здесь (φ₁ – φ₂) - разность потенциалов на концах участка цепи; ε₁₂ - ЭДС источников тока, входящих в участок; U - напряжение на участке цепи; R - сопротивление цепи (участка цепи); ε - ЭДС всех источников тока цепи.

· Правила Кирхгофа.

Первое правило: алгебраическая сумма сил токов, сходящихся в узле, равна нулю, т. е.

где n - число токов, сходящихся в узле.

Второе правило:в замкнутом контуре алгебраическая сумма напряжений на всех участках контура равна алгебраической сумме электродвижущих сил, т.е.

где I_i - сила тока на i-мучастке; R_i - активное сопротивление на i-мучастке; ε_i- ЭДС источников тока на i-мучастке; п - число участков, содержащих активное сопротивление; k- число участков, содержащих источники тока.

· Работа, совершаемая электростатическим полем и сторонними силами в участке цепи постоянного тока за время t

A=IUt.

· Мощность тока

P=IU.

· Закон Джоуля - Ленца

Q=I²Rt,

где Q - количество теплоты, выделяющееся в участке цепи при протекании постоянного тока за время t.

В случае переменного тока количество теплоты, выделяющееся за малое время

,

где – мгновенная сила тока.

Закон Джоуля - Ленца справедлив при условии, что участок цепи неподвижен и в нем не совершаются химические превращения.

Примеры решения задач

Пример 1. Три одинаковых положительных заряда Q₁=Q₂=Q₃=1 нКл расположены по вершинам равностороннего треугольника (рис. 23). Какой отрицательный заряд Q₄ нужно поместить в центре треугольника, чтобы сила притяжения с его стороны уравновесила силы взаимного отталкивания зарядов, находящихся в вершинах?

Решение. Все три заряда, расположенных по вершинам треугольника, находятся в одинаковых условиях. Поэтому для решения задачи достаточно выяснить, какой заряд следует поместить в центре треугольника, чтобы один из трех зарядов, например Q₁,

находился в равновесии.

В соответствии с принципом суперпозиции на заряд действует каждый заряд независимо от остальных. Поэтому заряд Q₁ будет находиться в равновесии, если векторная сумма действующих на него сил равна нулю:

, (1)

где — силы, с которыми соответственно действуют на заряд Q₁ заряды Q₂, Q₃ и Q₄; — равнодействующая сил .

Так как силы и направлены по одной прямой, то векторное равенство (1) можно заменить скалярной суммой:

F – F₄=0, или F₄=F.

Выразив в последнем равенстве F через F₂ и F₃ и учитывая, что F₃=F₂, получим

.

Применяя закон Кулона и имея в виду, что Q₂=Q₃=Q₁, найдем

,

откуда

. (2)

Из геометрических построений в равностороннем треугольнике следует, что

.

С учетом этого формула (2) примет вид

.

Подставив сюда значение Q₁, получим

Q₄=0,58 нКл.

Отметим, что равновесие системы зарядов будет неустойчивым.

Пример 2. Два заряда 9Q и -Q закреплены на расстоянии l=50 см друг от друга. Третий заряд Q₁ может перемещаться только вдоль прямой, проходящей через заряды. Определить положение заряда Q₁, при котором он будет находиться в равновесии. При каком знаке заряда равновесие будет устойчивым? Равновесие называется устойчивым, если при малом смещении заряда от положения равновесия возникают силы, возвращающие его в положение равновесия.

Решение. Заряд Q₁ будет находиться в равновесии в том случае, если векторная сумма сил, действующих на него, будет равна нулю. Это значит, что на заряд Q₁ должны действовать две силы, равные по модулю и противоположные по направлению. Рассмотрим, на каком из трех участков I, II, III (рис. 24) может быть выполнено это условие. Для определенности будем считать, что заряд Q₁ —положительный.

На участке I (рис. 24, а) на заряд Q₁ действуют две противоположно направленные силы: и . Сила , действующая со стороны заряда 9Q, в любой точке этого участка будет больше, чем сила , действующая со стороны заряда -Q, так как больший (по модулю) заряд 9Q всегда находится ближе к заряду Q₁, чем меньший заряд -Q. Поэтому равновесие на этом участке невозможно.

На участке II (рис. 24, б) обе силы и направлены в одну сторону — к заряду -Q. Следовательно, и на втором участке равновесие невозможно.

На участке III (рис. 24, в) силы и направлены в противоположные стороны, так же как и на участке I, но в отличие от него меньший (по модулю) заряд (– Q) всегда находится ближе к заряду Q₁, чем больший заряд (9Q). Это значит, что можно найти такую точку на прямой, где силы и будут одинаковы по модулю, т. е.

.(1)

Пусть расстояние от меньшего заряда до заряда Q₁ равнох, тогда расстояние от большего заряда будет (l+х). Выражая в равенстве (1) F₁ и F₂ в соответствии с законом Кулона, получим

.

Сокращая на QQ₁ и извлекая из обеих частей равенства квадратный корень, найдем l+x=±3x, откуда x₁=+l/2 и x₂=-l/4.

Кореньx₂ не удовлетворяет физическому условию задачи (в этой точке силы F₁ и F₂ хотя и равны по модулю, но направлены в одну сторону).

Определим знак заряда, при котором равновесие будет устойчивым. Рассмотрим смещение заряда Q₁ в двух случаях: 1) заряд положителен;2) заряд отрицателен.

1. Если заряд Q₁ положителен, то при смещении его влево обе силы F₁ и F₂ возрастают, но F₁ возрастает медленнее (заряд 9Q всегда находится дальше, чем –Q). Следовательно, F₂ (по модулю) больше, чем F₁, и на заряд Q₁ будет действовать результирующая сила, направленная также влево. Под действием этой силы заряд Q₁ удаляется от положения равновесия. То же происходит и при смещении заряда Q₁ вправо. Сила F₂ убывает быстрее, чем F₁. Векторная сумма сил в этом случае направлена вправо. Заряд под действием этой силы также будет перемещаться вправо, т. е. удаляться от положения равновесия. Таким образом, в случае положительного заряда равновесие является неустойчивым.

2. Если заряд Q₁ отрицателен, то его смещение влево вызовет увеличение сил F₂ и F₁, но сила F₁ возрастает медленнее, чем F₂, т.е. |F₂|>|F₁|. Результирующая сила будет направлена вправо. Под действием этой силы заряд Q₁ возвращается к положению равновесия. При смещении Q₁ вправо сила F₂ убывает быстрее, чем F₁, т. е. |F₁|>|F₂|. результирующая сила направлена влево и заряд Q₁ опять будет возвращаться к положению равновесия. При отрицательном заряде равновесие является устойчивым. Величина самого заряда Q₁ несущественна.

Отметим, что в электростатике устойчивое равновесие возможно только при определенных ограничениях. В нашем примере заряд Q₁ может перемещаться только вдоль прямой, проходящей через заряды –Q и 9Q. Если это ограничение снять, то устойчивого равновесия не будет. В системе зарядов, находящихся под действием одних только электростатических сил, устойчивое равновесие невозможно (теорема Ирншоу).

Пример 3. Тонкий стержень длиной l=30 см (рис. 25) несет равномерно распределенный по длине заряд с линейной плотностью t =1 мкКл/м. На расстоянии r₀=20 см от стержня находится заряд Q₁=10 нКл, равноудаленный от концов, стержня. Определить силу F взаимодействия точечного заряда с заряженным стержнем.

Решение. Закон Кулона позволяет вычислить силу взаимодействия точечных зарядов. По условию задачи, один из зарядов не является точечным, а представляет собой заряд, равномерно распределенный по длине стержня. Однако если выделить на стержне дифференциально малый участок длиной dl, то находящийся на нем заряд dQ=t·dl можно рассматривать как точечный и тогда по закону Кулона сила взаимодействия между зарядами Q₁ и dQ:

, (1)

где r — расстояние от выделенного элемента до заряда Q₁. Здесь и далее, если в условии задачи не указана среда, имеется в виду, что заряды находятся в вакууме (e=1).

Из чертежа (рис. 25) следует, что и , где

r₀ — расстояние от заряда Q₁ до стержня. Подставив эти выражения в формулу (1), получим

. (2)

Следует иметь в виду, что — вектор, поэтому, преждечеминтегрировать разложим его на две составляющие: , перпендикулярную стержню, и , параллельную ему.

Из рис. 25 видно, что dF₁=dFcosa, dF₂=dFsina. Подставляя значение dF из выражения (2) в эти формулы, найдем:

.

Интегрируя эти выражения в пределах от –b до +b, получим

В силу симметрии расположения заряда Q₁ относительно стержня интегрирования второго выражения дает нуль

Таким образом, сила, действующая на заряд Q₁

. (3)

Из рис. 25 следует, что . Подставив это выражение sinb в формулу (3), получим

. (4)

Произведем вычисления по формуле (4):

Пример 4. Электрическое поле создано двумя точечными зарядами: Q₁=30 нКл и Q₂= –10 нКл. Расстояние d между зарядами равно 20 см. Определить напряженность электрического поля в точке, находящейся на расстоянии r₁=15 см от первого и на расстоянии r₂=10 см от второго зарядов.

Решение. Согласно принципу суперпозиции электрических полей, каждый заряд создает поле независимо от присутствия в пространстве других зарядов. Поэтому напряженность электрического поля в искомой точке может быть найдена как векторная сумма напряженностей и полей, создаваемых каждым зарядом в отдельности: .

Напряженности электрического поля, создаваемого в вакууме первым и вторым зарядами, соответственно равны

(1)

Вектор (рис. 26) направлен по силовой линии от заряда Q₁, так как заряд Q₁>0; вектор направлен также по силовой линии, но к заряду Q₂, так как Q₂<0.

Модуль вектора Е найдем по теореме косинусов:

, (2)

где угол a может быть найден из треугольника со сторонами r₁, r₂ и d:

.

В данном случае во избежание громоздких записей вычислим отдельно значение cosa. По этой формуле найдем

cosa =0,25.

Подставляя выражения E₁ и E₂ а по формулам (1) в равенство (2) и вынося общий множитель 1/(4pe₀) за знак корня, получаем

.

Подставив значения величин p, e₀, Q₁, Q₂, r₁, r₂ и cosa в последнюю формулу и произведя вычисления, найдем

Пример 5. Электрическое поле создано двумя параллельными бесконечными заряженными плоскостями с поверхностными плотностями заряда s₁=0,4 мкКл/м² и s₂=0,1 мкКл/м². Определить напряженность электрического поля, созданного этими заряженными плоскостями.

Решение. Согласно принципу суперпозиции, поля, создаваемые каждой заряженной плоскостью в отдельности, накладываются друг на друга, причем каждая заряженная плоскость создает электрическое поле независимо от присутствия другой заряженной плоскости (рис. 27).

Напряженности однородных электрических полей, создаваемых первой и второй плоскостями, соответственно равны:

; .

Плоскости делят все пространство на три области: I, II и III. Как видно из рисунка, в первой и третьей областях электрические силовые линии обоих полей направлены в одну сторону и, следовательно, напряженности суммарных полей Е^(I) и E^(III) в первой и третьей областях равны между собой и равны сумме напряженностей полей, создаваемых первой и второй плоскостями: Е^(I)= E^(III)=E₁+E₂, или

Е^(I)= E^(III)= .

Во второй области (между плоскостями) электрические силовые линии полей направлены в противоположные стороны и, следовательно, напряженность поля E^(II) равна разности напряженностей полей, создаваемых первой и второй плоскостями: E^(II)=|E₁-E₂|,или

.

Подставив данные и произведя вычисления, получим

E^(I)=E^(III)=28,3 кВ/м; E^(II) =17 кВ/м.

Картина распределения силовых линий суммарного поля представлена на рис. 28.

Пример 6. На пластинах плоского воздушного конденсатора находится заряд Q=10 нКл. Площадь S каждой пластины конденсатора равна 100 см² Определить силу F, с которой притягиваются пластины. Поле между пластинами считать однородным.

Решение. Заряд Q одной пластины находится в поле, созданном зарядом другой пластины конденсатора. Следовательно, на первый заряд действует сила (рис. 29)

F=E₁Q (1)

где E₁ — напряженность поля, создаваемого зарядом одной пластины. Но где s – поверхностная плотность заряда пластины.

Формула (1) с учетом выражения для E₁ примет вид

.

Подставив значения величин Q, и S в эту формулу и произведя вычисления, получим

F=565 мкН.

Пример 7. Электрическое поле создано, бесконечной плоскостью, заряженной с поверхностной плотностью s =400 нКл/м², и бесконечной прямой нитью, заряженной с линейной плотностью t =100 нКл/м. На расстоянии r =10 см от нити находится точечный заряд Q =10 нКл. Определить силу, действующую на заряд, ее направление, если заряд и нить лежат в одной плоскости, параллельной заряженной плоскости.

Решение. Сила, действующая на заряд, помещённый в поле,

F=EQ, (1)

где Е — напряженность поля в точке, в которой находится заряд Q.