Электродинамика

Что такое электродинамика?

Что такое электродинамика?

Электродинамика – это наука о свойствах и закономерностях поведения особого вида материи – электромагнитного поля, осуществляющего взаимодействие между электрически заряженными телами или частицами.

Электростатика.

Раздел электродинамики, посвященный изучению покоящихся электрически заряженных тел, называют электростатикой.

Электрический заряд и элементарные частицы.

• Все тела состоят из мельчайших частиц, которые неделимы на более простые и поэтому называются элементарными.
• Все элементарные частицы имеют массу и благодаря этому притягиваются друг к другу согласно закону всемирного тяготения.
• Если частицы взаимодействуют друг с другом с силами, которые убывают с увеличением расстояния так же, как и силы всемирного тяготения, но превышают силы тяготения во много раз, то говорят, что эти частицы имеют электрический заряд.

4. Сами частицы называются заряженными . Бывают частицы без электрического заряда, но не существует электрического заряда без частицы.

5 . Взаимодействия между заряженными частицами носят название электромагнитных.

6. Электрический заряд определяет интенсивность электромагнитных взаимодействий, подобно тому как масса определяет интенсивность гравитационных взаимодействий.

Два знака электрических зарядов.

• Заряженные тела могут как притягиваться, так и отталкиваться друг от друга. Этот важнейший факт означает, что в природе есть частицы с электрическими зарядами противоположных знаков: при зарядах одинаковых знаков частицы отталкиваются, а при различных – притягиваются.
• Заряд элементарных частиц – протонов , входящих в состав всех атомных ядер, называют положительным , а заряд электронов – отрицательным . Между положительными и отрицательными зарядами внутренних различий нет. Если бы знаки зарядов частиц поменялись местами, то от этого характер электромагнитных взаимодействий нисколько бы не изменился.

Заряды

Одноименные отталкиваются

Закон сохранения электрического заряда.

• Опыт с электризацией тел доказывает, что при электризации трением происходит перераспределение имеющихся зарядов между телами, нейтральными в первый момент. Небольшая часть электронов переходит с одного тела на другое. При этом новые частицы не возникают, а существовавшие ранее не исчезают.
• При электризации тел выполняется закон сохранения электрического заряда . Этот закон справедлив для системы, в которую не входят извне и из которой не выходят наружу заряженные частицы, т.е. для замкнутой системы.

В замкнутой системе алгебраическая сумма зарядов всех частиц остается неизменной. Если заряды частиц обозначить через q1, q2, q3 и т.д. , то

• q 1 +q 2 +q 3 +…+q n = const.

• Закон сохранения заряда имеет глубокий смысл . Если число заряженных элементарных частиц не меняется, то выполнение закона сохранения заряда очевидно. Но элементарные частицы могут превращаться друг в друга, рождаться и исчезать, давая жизнь новым частицам. Однако во всех случаях заряженные частицы рождаются только парами, с одинаковыми по модулю и противоположным по знаку зарядами; исчезают заряженные частицы тоже только парами, превращаясь в нейтральные. И во всех этих случаях сумма зарядов остается одной и той же.

• Справедливость закона сохранения заряда подтверждают наблюдения над огромным числом превращений элементарных частиц. Этот закон выражает одно из самых фундаментальных свойств электрического заряда. Причина сохранения заряда до сих пор неизвестна.
• Электрический заряд во Вселенной сохраняется. Полный электрический заряд Вселенной скорее всего равен нулю; число положительно заряженных элементарных частиц равно числу отрицательно заряженных элементарных частиц.

В 1785 году французским

ученым Шарлем Огюстеном

Кулоном были получены

первые результаты опытов

по измерению силы взаимодействия двух точечных зарядов.

• Для измерения этой силы Кулон использовал крутильные весы.

Крутильные весы:

• Незаряженная сфера
• Неподвижная заряженная сфера
• Легкий изолирующий стержень
• Упругая нить
• Бумажный диск
• Шкала

ЗАКОН КУЛОНА ( установлен экспериментально, 1785г)

F 1,2 = k

K = 9·10 9 Н·м 2 /Кл 2

k =

Сила взаимодействия между двумя неподвижными точечными зарядами, находящимися в вакууме, прямо пропорциональна произведению модулей зарядов, обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними и направлена по прямой, соединяющей заряды.

где :

q 1 ,q 2 - величины зарядов [ Кл]

r - расстояние между ними [м]

k -коэффициент

пропорциональности,

F 1,2 - сила Кулона [ Н]

K = 9·10 9 Н·м 2 /Кл 2

𝜀₀ = 8,85 ·10 -12 Кл 2 /Н· м 2 - электрическая постоянная

Единица заряда — кулон (1 Кл). Это заряд, проходящий за 1 с через поперечное сечение проводника при силе тока в 1 А.

Минимальный заряд, существующий в природе,— заряд электрона :

e = - 1,6.10 -19 Кл

Границы применимости закона Кулона:

1. Кулоновская сила является центральной.

2. Силы взаимодействия двух неподвижных точечных заряженных тел направлены вдоль прямой, соединяющей эти тела.

3.Кулоновская сила подчиняется 3 закону Ньютона : F 12 = - F 21

F 12

-

-

F 12

-

+

F 12

+

+

4. Заряженные тела должны быть точечными: размеры тел много меньше расстояний между ними.

5. Для точечных неподвижных заряженных тел в вакууме

(Если же размеры и расстояния несоизмеримы , то закон Кулона не применим. В этом случае необходимо мысленно «разбить» тело на такие малые объемы , чтобы каждый из них отвечал условию точечности. Суммирование сил , действующих между элементарными объемами заряженных тел, дает возможность определить электрическую силу).

6. Для шаров, радиусы которых соизмеримы с расстояниями между их центрами (заряды распределены равномерно).

7. Заряженные тела должны быть неподвижными т.к. при движении заряженных тел проявляется действие магнитного поля , возникающего в результате движения.

8. Сила взаимодействия заряженных тел зависит от свойств среды между ними.

9. Величина, характеризующая электрические свойства среды, называется диэлектрической постоянной среды:

𝜀 =Fк/Fср,

показывает, во сколько раз сила взаимодействия точечных зарядов в вакууме больше их силы взаимодействия в среде(для вакуума и воздуха равна 1).

Закон Кулона в общем виде:

F 1,2 = k

𝜀

Ответить на вопросы: 1 Как изменится сила взаимодействия между двумя зарядами, если расстояние между ними увеличить в 2 раза? 2 Как изменится сила взаимодействия между зарядами, если один из зарядов увеличить в 3 раза, не меняя расстояния между ними? 3 Как изменится сила взаимодействия между зарядами, если один из зарядов уменьшить в 2 раза, а расстояние между ними увеличить в 3 раза ?

4 . Когда мы снимаем одежду, особенно изготовленную из синтетических материалов, мы слышим характерный треск. Какое явление объясняет этот треск ?

• Электризация.
• Трение
• Нагревание.
• Электромагнитная индукция.

5. Как изменится сила взаимодействия зарядов, если их перенести из вакуума в среду с диэлектрической проницаемостью 7?

6. Два разноименных заряда по 10 -8 Кл находились на расстоянии 3  10 -2 м друг от друга. С какой силой они взаимодействуют? Притягиваются или отталкиваются заряды?

• Притягиваются с силой 3  10 -5 Н.
• Притягиваются с силой 10 -3 Н.
• Отталкиваются с силой 3  10 -5 Н.
• Отталкиваются с силой 10 -3 Н.

7. К незаряженному проводнику АВ поднесли, не касаясь его, положительно заряженную стеклянную палочку (рис. 1). Затем, не убирая палочку, разделили проводник на две части (рис. 2). Какое утверждение о знаках зарядов частей А и В после разделения будет верным?

• Обе части будут иметь положительный заряд.
• Обе части будут иметь отрицательный заряд.

• Часть В будет иметь положительный заряд, часть А – отрицательный.
• Часть В будет иметь отрицательный заряд, часть А – положительный.

Электрическое поле. Свойства электрического поля.

Напряженность электрического поля.

Близкодействие и действие на расстоянии.

• Дальнодействие : действие осуществляется без участия какого бы то ни было посредника и мгновенно передается от одного тела к другому.
• Близкодействие : всякое действие от одного тела к другому передается с конечной скоростью от точки к точке через среду, которую мы не наблюдаем.

Теория близкодействия ( М.Фарадей,1791 – 1867)

Неподвижный заряд, q 1

Создает Действует на

Электрическое поле, Электрическое поле,

Е 1 Е 2

Действует на Создает

Другой заряд, q 2

Электрическое поле.

1. Электрическое поле – это вид материи, окружающей электрические заряды, и проявляющейся в действии на эти заряды.

2. Поле, созданное покоящимися электрическими зарядами называется электростатическим .

Действие электрического поля на электрические заряды.

• Электрическое поле — особая форма материи, существующая вокруг тел или частиц , обладающих электрическим зарядом , а также в свободном виде в электромагнитных волнах.

• Электрическое поле непосредственно невидимо , но может наблюдаться по его действию и с помощью приборов .
• Основным действием электрического поля является ускорение тел или частиц , обладающих электрическим зарядом .

Свойства электрического поля .

1. Электрическое поле материально , т.е. существует независимо от наших знаний о нем.

2. Порождается электрическим зарядом : вокруг любого заряженного тела существует электрическое поле.

3 . Обнаруживается по действию на заряд.

4 . Действует на заряды с некоторой силой.

5. Поле заряженного тела может действовать на незаряженное тело.

6. Электрическое поле распространяется в пространстве с конечной скоростью , равной скорости света в вакууме.

с ≈ 3 · 10 8 м/с.

Напряженность электрического поля.

• Для количественного определения электрического поля вводится силовая характеристика - напряженность электрического поля.

• Напряженностью электрического поля называют векторную физическую величину, равную отношению силы, с которой поле действует на положительный точечный заряд, помещенный в данную точку пространства, к величине этого заряда:
• Единица измерения напряженности:

[E] = 1 Н/Кл = 1 В/м

Е =

Напряженность электрического поля

• Напряженность электрического поля – векторная физическая величина.

• Направление вектора совпадает в каждой точке пространства с направлением силы , действующей на положительный единичный заряд .

0 , то векторы напряженности и силы направлены в одну и ту же сторону ; при q эти векторы направлены в противоположные стороны . Величина векторная. Это означает: направление вектора Е совпадает с направлением силы, действующей на положительный заряд, и противоположно направлению силы, действующей на отрицательный заряд. " width="640"

Напряженность – силовая характеристика электрического поля.

• Если в точке А заряд q 0 , то векторы напряженности и силы направлены в одну и ту же сторону ;
• при q эти векторы направлены в противоположные стороны .

Величина векторная. Это означает:

направление вектора Е совпадает с направлением силы, действующей на положительный заряд, и противоположно направлению силы, действующей на отрицательный заряд.

0 Е Вектор напряженности поля в заданной точке q Е " width="640"

Е =

Модуль напряженности поля точечного заряда

q0

Е

Вектор

напряженности

поля в

заданной точке

q

Е

0 q " width="640"

Принцип суперпозиции полей:

Опр1 . Если в данной точке пространства различные заряженные частицы создают электрические поля, напряженности которых Е ₁, Е₂ и т.д., то результирующая напряженность поля в этой точке равна:

Е = Е ₁ + Е₂+……

E ₁

E

E ₂

q0

q

Принцип суперпозиции электрических полей

Опр.2. Принцип суперпозиции : напряженность электрического поля, создаваемого системой зарядов в данной точке пространства, равна векторной сумме напряженностей электрических полей, создаваемых в той же точке зарядами в отдельности :

• Для наглядного представления электрического поля используют силовые линии

Силовые линии поля

Силовые линии электрических полей

электрического диполя

Силовые линии

кулоновских полей

Электрическое поле:

• Однородное-

поле, напряженность которого во всех точках пространства одинакова. Таким можно считать поле в ограниченной области пространства.

• Неоднородное-

поле неодинаковой напряженности в пространстве (все остальные случаи).

Сравните линии напряженности однородного и неоднородного электрических полей

Опр. Силовая линия (или линия напряженности) — это воображаемая направленная линия в пространстве, касательная к которой в каждой точке совпадают с направлением вектора напряженности в этой точке

Свойства силовых линий электрического поля.

1.Густота линий пропорциональна модулю напряженности.

2. Не замкнуты.

3.Силовые линии непрерывны.

4.Начинаются на положительных зарядах и оканчиваются на отрицательных зарядах.

5.Силовые линии не пересекаются.

6.Силовые линии однородного поля (например, между двумя заряженными пластинами) параллельны.

7. Внутри проводящего шара напряженность поля равна нулю, весь заряд его сосредоточен на поверхности.