Презентация - Электрическое поле и его напряженность

Электрическое поле и его напряженность. Принцип суперпозиции полей точечных зарядов. Работа сил электростатического поля. Потенциал.

Электрическое поле и его напряженность
Электрическое поле неподвижных зарядов = электростатическое поле
Закон Кулона: сила электрического взаимодействия проявляется только между двумя заряженными телами
- для воздуха и для вакуума

Электрическое поле и его напряженность
Действие заряженного тела на окружающие тела проявляется в виде сил притяжения и отталкивания, стремящихся поворачивать эти тела по отношению к заряженному телу.
Все это можно наблюдать с помощью следующего опыта:

Электрическое поле и его напряженность
1 – кювета, содержащая касторовое масло с частицами манной крупы; 2 – проводники, соединенные с электрической машиной и создающие электрическое поле; 3 – источник света; 4 – экран, на который проецируется тень от частичек манной крупы

Электрическое поле и его напряженность
Нальем в небольшую стеклянную кювету какой-либо жидкий диэлектрик (например, масло) к которому подмешан порошок с крупинками удлиненной формы (манная крупа в касторовом масле). В кювету поместим, например, две металлические пластинки, и соединим их с электрической машиной, позволяющей непрерывно разделять положительные и отрицательные заряды. Чтобы удобно было следить за поведением взвешенных в масле крупинок, спроецируем изображение всей картины на экран или просто отбросим тень кюветы на потолок. При заряде пластинок можно видеть, что отдельные крупинки, расположенные вначале совершенно беспорядочно, начинают перемещаться и поворачиваться, и в конце концов устанавливаются в виде цепочек, тянущихся от одного электрода к другому. В этом опыте каждая крупинка подобна маленькой стрелке. Небольшие размеры крупинок позволяют разместить их одновременно во многих точках среды и благодаря этому обнаружить, что действие заряженного тела проявляется во всех точках окружающего пространства.

Электрическое поле и его напряженность
Вывод: можно судить о существовании электрического заряда в каком-нибудь месте по действиям, производимым им в различных точках окружающего пространства.
В зависимости от заряда и формы заряженного тела действие его в различных точках пространства будет различным
для полной характеристики заряда надо знать, какое действие он производит во всевозможных точках окружающего пространства, или, как говорят, надо знать электрическое поле, которое возникает вокруг заряда

Электрическое поле и его напряженность
Понятием «электрическое поле» мы обозначаем пространство, в котором проявляются действия электрического заряда
электрическое поле есть самостоятельная физическая реальность, не сводящаяся ни к тепловым, ни к механическим явлениям
Для количественной характеристики электрического поля можно использовать любое из его действий
Обычно пользуются механическими действиями поля на заряженные частицы

Электрическое поле и его напряженность
Определение:
Напряженность электрического поля в данной точке пространства есть отношение силы, действующей на заряд, помещенный в точку, к заряду

Электрическое поле и его напряженность
Система СИ:
За единицу напряженности принимают напряженность поля, в котором на заряд, равный одному кулону, действует сила, равная одному ньютону.
Эту единицу называют вольтом на метр (В/м)
[E] = В/м

Электрическое поле и его напряженность
Напряженность электрического поля
E – векторная физическая величина (так как зависит от силы)
Для полной характеристики напряженности надо указать также и ее направление
Любая сила определяется не только численным значением, но и направлением

Электрическое поле и его напряженность
- сила, действующая на заряд q со стороны электрического поля
За направление напряженности поля принимают направление силы, действующей на положительный заряд!!!
Если q > 0 - векторы F и E направлены в одну сторону
Если q < 0 - векторы F и E направлены в противоположные стороны
Направление вектора E не зависит от знака заряда q

Электрическое поле и его напряженность
Напряженность поля точечного заряда
r – радиус-вектор, проведенный из заряда q к заряду q0.
- напряженность поля точечного заряда на расстоянии r от него

Электрическое поле и его напряженность
Вектор напряженности в любой точке электрического поля направлен вдоль прямой, соединяющей эту точку и заряд:
от заряда, если q > 0 (рис. а) к заряду, если q < 0 (рис. b)

Принцип суперпозиции полей
Вычислим напряженность поля, вызванного двумя точечными зарядами q1 и q2:
E1 – напряженность поля в некоторой точке А, вызванная зарядом q1 (когда заряд q2 отсутствует) E2 – напряженность поля в некоторой точке А, вызванная зарядом q2 (когда заряд q1 отсутствует)

Принцип суперпозиции полей
Опыт показывает, что при совместном действии обоих зарядов напряженность поля в точке А может быть найдена по правилу параллелограмма
если из точки А отложить отрезки, изображающие по модулю и по направлению напряженности E1 и E2, и на этих отрезках, как на сторонах построить параллелограмм, то напряженность E результирующего поля по модулю и направлению представится диагональю этого параллелограмма.

Принцип суперпозиции полей
Геометрическое получение напряженности поля, создаваемого двумя точечными зарядами:

Принцип суперпозиции полей
Последовательно применяя правило параллелограмма, можно вычислить напряженность электрического поля не только двух, но и любого числа зарядов
Принцип суперпозиции полей
Напряженность поля системы зарядов в данной точке равна геометрической (векторной) сумме напряженностей полей, созданных в этой точке каждым зарядом в отдельности:

Напряженность поля
Справочная информация: Линии напряженности – линии, касательные к которым в каждой точке поля совпадают с вектором напряженности электростатического поля в этой точке. Линии напряженности не пересекаются. Положительный заряд является источником линий напряженности; отрицательный заряд является стоком линий напряженности. Модуль вектора напряженности пропорционален степени сгущения линий напряженности электростатического поля. Электрическое поле, векторы напряженности которого одинаковы во всех точках пространства, называется однородным.

Работа
В зависимости от рассматриваемого вида взаимодействия в выражении работы стоит либо гравитационная сила (F = mg), либо кулоновская (F = qE).

Потенциальная энергия
в случае разноименных зарядов
в случае одноименных зарядов
можно объединить в одну формулу, если взять вместо модулей зарядов их алгебраические значения
Знак потенциальной энергии автоматически получится правильным

Потенциальная энергия
Если заряды q1 и q2 имеют одинаковые знаки, то потенциальная энергия их взаимодействия положительна
Если заряды q1 и q2 имеют разные знаки, то потенциальная энергия их взаимодействия отрицательна

Потенциальная энергия
Потенциальная энергия заряда в электростатическом поле пропорциональна самому заряду
Отношение потенциальной энергии к заряду не зависит от помещенного в поле заряда
- потенциальная энергия заряда q2 в поле точечного заряда q1
можно ввести новую физическую величину
ПОТЕНЦИАЛ

Потенциал
Потенциал электростатического поля в данной точке – скалярная физическая величина, равная отношению потенциальной энергии, которой обладает пробный положительный заряд, помещенный в данную точку поля, к величине этого заряда
-
ϕ
ПОТЕНЦИАЛ

Потенциал
E
– напряженность электростатического поля = вектор
силовая характеристика поля
определяет силу, действующую на заряд q в данной точке поля
ϕ
– потенциал электростатического поля = скаляр
энергетическая характеристика поля
определяет потенциальную энергию заряда q в данной точке поля

Потенциал
Потенциал поля точечного заряда
В этой формуле потенциал на бесконечности выбран нулевым, поэтому при q > 0 ϕ > 0, а при q < 0 ϕ < 0

Потенциал
Единица измерения потенциала
1В = 1 Вольт = 1 Дж/1 Кл

Разность потенциалов
Разность потенциалов
∆ϕ = ϕ1 – ϕ2
ϕ1 , ϕ2
- потенциал в точках 1 и 2
Работа силы электростатического поля равна произведению величины перемещаемого заряда на разность потенциалов в начальной и конечной точках
Aq= q(ϕ1 – ϕ2)

Разность потенциалов
Разность потенциалов
напряжение
U= ϕ1 – ϕ2
Aq= qU

Разность потенциалов
Разность потенциалов
напряжение
U= ϕ1 – ϕ2
Aq= qU

Потенциал
Единица измерения разности потенциалов
1В = 1 Вольт = 1 Дж/1 Кл

Разность потенциалов
Разность потенциалов (напряжение) между двумя точками равна отношению работы поля при перемещении заряда из начальной точки в конечную к этому заряду

Разность потенциалов
Разность потенциалов в однородном электростатическом поле между двумя точками, находящимися на расстоянии d друг от друга вдоль линии напряженности:

Проводники и диэлектрики
По электрическим свойствам (уровню подвижности заряженных частиц)
вещества
деление
проводники
полупроводники
диэлектрики

Проводники и диэлектрики
Проводники
Диэлектрики
все металлы
Состоят из нейтральных в целом атомов или молекул
Имеются заряженные частицы (заряды частиц = свободные заряды)
Заряженные частицы связаны друг с другом и не могут перемещаться под действием поля по всему объему тела
Способные перемещаться внутри проводника под действием электрического поля

Проводники и диэлектрики
Свободные заряды – заряженные частицы одного знака, способные перемещаться под действием электрического поля
Не могут возникнуть, если энергия связи электрона со своим атомом велика по сравнению с энергией взаимодействия с соседними атомами вещества
СВЯЗАННЫЕ ЗАРЯДЫ

Проводники и диэлектрики
ПРОВОДНИК
- вещество, в котором свободные заряды могут перемещаться по всему объему
растворы солей, кислот, щелочей
Влажный воздух
металлы
Тело человека
плазма

Проводники
В металлах носители свободных зарядов = электроны
При образовании металла из нейтральных атомов
атомы взаимодействуют друг с другом
электроны внешних оболочек атомов полностью утрачивают связи со своими атомами и становятся собственностью всего проводника в целом
положительные ионы окружены отрицательно заряженным газом из электронов (взаимодействие кулоновское)

Проводники
ПРОВОДНИК
незаряженный, помещенный во внешнее электрическое поле
заряженный
ВНУТРИ E = 0 (поле отсутствует)

Диэлектрики
ДИЭЛЕКТРИК
- вещество, содержащее только связанные заряды

Диэлектрики
СВЯЗАННЫЕ ЗАРЯДЫ
- разноименные заряды, входящие в состав атомов (или молекул), которые не могут перемещаться под действием электрического поля независимо друг от друга

Диэлектрики
СВОБОДНЫЕ ЗАРЯДЫ
полностью отсутствуют!!!
диэлектрик практически не проводит электрический ток
ХОРОШИЙ ИЗОЛЯТОР!!!

Диэлектрики
ДИЭЛЕКТРИКИ
ГАЗЫ
НЕКОТОРЫЕ ЖИДКОСТИ
дистиллированная вода, бензол
НЕКОТОРЫЕ ТВЕРДЫЕ ТЕЛА
Стекло, фарфор, слюда

Диэлектрики
ДИЭЛЕКТРИКИ
в соответствии со структурой их молекул
деление
полярные
неполярные

Диэлектрики (полярные)

Диэлектрики (неполярные)
В неполярных диэлектриках электростатическое поле сначала поляризует молекулы, растягивая в разные стороны положительные и отрицательные заряды, а затем поворачивает их оси вдоль напряженности поля

Диэлектрики
ПОЛЯРИЗАЦИЯ ДИЭЛЕКТРИКА
- процесс ориентации диполей или появление под действием внешнего электрического поля ориентированных по полю диполей

Диэлектрики
ОТНОСИТЕЛЬНАЯ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПРОНИЦАЕМОСТЬ СРЕДЫ
- число, показывающее, во сколько раз напряженность электростатического поля в однородном диэлектрике меньше, чем напряженность в вакууме

Задания
Напряженность поля в некоторой точке 0,4 КН/Кл. Определить величину силы, с которой поле в этой точке будет действовать на заряд. В некоторой точке поля на заряд 5∙10-9 Кл действует сила 3 ∙ 10-4 Н. Найдите напряженность поля в этой точке и определите величину заряда, создающего поле, если точка удалена от него на расстояние 0,1 м? В какую среду помещен точечный электрический заряд 4,5 ∙10-7 Кл, если на расстоянии 5 см от него напряженность поля равна 2 ∙104 Н/Кл?