Електростатика

Електростатика

Закон Кулона

Фундаментальний закон електричної взаємодії точкових зарядів сформулював у 1785 р. французький фізик Шарль Кулон: модуль кожної із сил взаємодії двох точкових зарядів прямо пропорційний числовим значенням зарядів і обернено пропорційний квадрату відстані між ними.
Взаємодія у вакуумі (або в повітрі) точкових зарядів (тобто заряджених матеріальних точок) описується формулою . Коефіцієнт k залежить від вибору системи одиниць, у CI. Часто роблять заміну: .
Величина (або ) називається електричною сталою.

Напруженість електричного поля

Електричне поле має властивість діяти на заряджені тіла, тому в будь-якій точці його можна досліджувати за допомогою «пробного заряду» — точкового позитивного заряду, значно меншого за заряд, який створює досліджуване поле.
Відношення сили, з якою поле в даній точці діє на пробний заряд, до значення цього заряду називається напруженістю електричного поля в даній точці:
, , .
Вміщуючи пробний заряд у різні точки поля, проводять лінії напруженості. Якщо вони прямі, то вектор напрямлений уздовж них, а якщо криві — вздовж дотичних до них. Густота ліній напруженості чисельно дорівнює (або пропорційна) значенню напруженості.
Лінії напруженості електростатичного поля (силові лінії) незамкнені: починаються на позитивних зарядах, а закінчуються на негативних; вони неперервні й не перетинаються.
Напруженість поля точкового заряду:
.
Електричне поле між двома паралельними різнойменно зарядженими пластинами, а також поле плоского конденсатора однорідні, тобто напруженість кожного із цих полів у будь-якій точці однакова і чисельно, і за напрямком.

Ознакою однорідності поля є паралельність його силових ліній.

Провідники в електричному полі

Типовими провідниками є метали — речовини, які містять «вільні» електрони. Якщо метал внести в електричне поле напруженістю , то відбуватиметься зміщення електронів. Утворяться надлишок негативного заряду на одній частині тіла і надлишок заряду позитивних іонів — на протилежній (позитивний іон — це атом, що втратив електрони). «Вільних» електронів у металі так багато, що напруженість поля , створюваного поверхневими зарядами провідника, чисельно дорівнює значенню напруженості ; напрями цих напруженостей протилежні.
Отже, для результуючого поля:
,
.

Усередині металу електричне поле відсутнє (внаслідок екрануючої дії наведених зовнішнім полем зарядів на поверхні металу). Цю обставину покладено в основу електростатичного захисту чутливих електровимірювальних приладів та іншої апаратури від зовнішніх електричних полів. Для цього їх оточують густою металевою сіткою.

Діелектрики в електричному полі. Діелектрична проникність

У діелектриках немає «вільних» електронів, тому вони не проводять струм.
Є два основні типи діелектриків.
1) Полярні діелектрики складаються з полярних молекул, диполів, тобто «здвоєних електричних полюсів», які за відсутності зовнішнього поля розташовані хаотично. Приклади: дистильована вода, кам’яна сіль.
2) Неполярні діелектрики складаються з нейтральних молекул.

Зовнішнє поле чинить орієнтуючу дію на диполі в полярному діелектрику.
Під дією зовнішнього поля позитивні заряди в молекулі речовини зсуваються в один бік, електрони — в інший. Деформуюча дія поля перетворює молекули неполярного діелектрика на диполі.
Процеси реагування діелектриків на зовнішнє електричне поле називаються поляризацією діелектрика. Усередині діелектрика, вміщеного в електричне поле напруженістю , виявляється електричне поле. Його напруженість , де — напруженість поляризаційних зарядів; .
Фізична величина, що характеризує ослаблення поля в діелектрику порівняно із зовнішнім полем, називається діелектричноюпроникністю, ; , лише для вакууму та повітря .

Потенціал. Різниця потенціалів. Напруга. Зв’язок між напругою і напруженістю

Потенціал деякої точки електростатичного поля (тобто поля, створеного нерухомим зарядом) — це енергетична характеристика, характеристика «роботоспроможності» поля:
, .
Потенціал чисельно дорівнює значенню потенціальної енергії одиничного пробного заряду в даній точці поля.
Нехай у точках поля 1 і 2 потенціали дорівнюють відповідно і . Різниця потенціалів цих точок (напруга U між ними):, тобто напруга між точками 1 і 2 чисельно дорівнює роботі електростатичного поля з перенесення одиничного пробного заряду з точки 1 у точку 2.
Між модулем напруженості та різницею потенціалів (або напругою) існує пропорційність. Для однорідного електростатичного поля (наприклад, поля конденсатора): . Отже, одиниця вимірювання E не лише , але й .

Електроємність. Конденсатор. З’єднання конденсаторів

Ємністю одного зарядженого провідника називають величину . У випадку двох провідників ; (фарад).
Ємність одного провідника мала. Для збільшення ємності провідника до нього наближають інший провідник, а між ними розташовують діелектрик. Така система називається конденсатором (накопичувачем).
Існують конденсатори з обкладками різної геометричної форми (плоскі, сферичні, циліндричні). Формула ємності плоского конденсатора , де S — площа однієї пластини, d — відстань між пластинами.
Часто використовують не окремі конденсатори, а кілька з’єднаних між собою.
1) Паралельне з’єднання конденсаторів дозволяє одержати великі ємності:
, , .

2) Послідовне з’єднання:
, , .

Енергія електричного поля

Енергію поля зарядженого конденсатора можна розрахувати як роботу, що виконується полем конденсатора в процесі його розрядки:
.
Енергію електростатичного поля можна записати й інакше:
1) Виражаючи q із формули , отримують: .
2) Виражаючи U із формули , отримують: .

Постійний електричний струм

Основні поняття та фізичні характеристики цього розділу розглядаються у 8 класі.

Електрорушійна сила

Сили, які в джерелі струму відокремлюють (всупереч електростатичним силам) різнойменні заряди, мають назву сторонніх сил. Приклади різних за природою сторонніх сил: електрохімічні, термоелектричні, фотоелектричні та ін.
Енергетична характеристика джерела струму називається електрорушійною силою (ЕРС) і позначається : ; (вольт).
ЕРС чисельно дорівнює роботі сторонніх сил при перенесенні одиничного заряду в колі.

Закон Ома для повного кола


За законом Ома сила струму в замкненому колі , де r — опір джерела струму (внутрішній опір), R — опір споживачів електричної енергії і з’єднувальних провідників.

З’єднання провідників

Провідники можна з’єднувати послідовно або паралельно.
1) При послідовному з’єднанні провідників усі електрони провідності (весь струм) проходять через кожний із провідників, унаслідок чого збільшується число зіткнень електронів з іонами, тобто збільшується опір ділянки:
; ;
.

2) При паралельному з’єднанні провідників струм розтікається: частина йде через , частина — через і т. д., що приводить до збільшення електропровідності й зменшення опору:
;
; .

Залежність опору металів від температури. Надпровідність

При підвищенні температури збільшується амплітуда і негармонічність коливань іонів ґраток, тому зростає опір металу. Питомий опір металу залежить від температури майже лінійно: , де — термічний коефіцієнт опору. Для металів .
При зниженні температури зменшується. При дуже низьких температурах лінійність залежності порушується, а у деяких металів за певної температури опір стрибкоподібно зникає (наприклад, у ртуті, що було виявлено в 1911 р.). У 1986 р. було відкрито надпровідність спресованих порошків («кераміки») оксидів металів за температури 35 К. Через декілька років було знайдено рецепти кераміки, яка ставала надпровідною при охолодженні зрідженим азотом (), а потім — і за менш низьких температур.

Струм в електролітах. Закони електролізу

Електроліти (кислоти, луги, солі) — це речовини, які у водних розчинах і в розплавах проводять струм, маючи провідність іонного типу, тобто струм створюється срямованим рухом не електронів (як у металах), а іонів обох знаків.
Окисно-відновні реакції на електродах в електроліті називають електролізом (на електродах осаджуються іони, що виділяються з електроліту).
Закони електролізу (закони Фарадея):
1) , де m — маса речовини, що виділяється при проходженні струму через електроліт, q — заряд, який переноситься іонами, k — електрохімічний еквівалент речовини.
2) Електрохімічний еквівалент k прямо пропорційний хімічному еквіваленту , де M — маса моля речовини, n — її валентність: , .
Величина стала Фарадея.
Об’єднаний закон електролізу:
.

Струм у вакуумі. Електронна емісія. Діод

Вакуум у посудині — це настільки розріджений стан газу, що його молекули зіштовхуються одна з одною рідше, ніж зі стінками посудини.
Вакуум — ізолятор, струм у ньому може виникнути лише за рахунок штучного введення заряджених частинок. Для цього використовують емісію (випускання) електронів. У вакуумних лампах може відбуватися або термоелектронна емісія, або фотоелектронна (у фотодіоді).
У перших конструкціях вакуумних двохелектродних ламп (діодів) використовувались катоди прямого розжарення (а); потім почали виготовляти діоди з катодами непрямого нагрівання (б).

Діод має однобічну провідність, що дозволяє використовувати його для випрямлення змінного струму.

Струм у напівпровідниках. Електропровідність напівпровідників

Напівпровідники — речовини, що за провідністю стоять між провідниками й діелектриками. Приклади: германій, силіцій та ін. У цих кристалах дуже мало вільних електронів, підвищення температури збільшує їх число, зменшуючи опір кристала.
У напівпровідниках, крім напрямленого руху електронів, розглядається також рух позитивно заряджених «частинок» — «дірок». Дірка — це вакансія у зв’язках між атомами Германію або Силіцію. Вона не може існувати у ваку-умі. І електронна, і діркова провідності чистих кристалів (власна провідність) слабкі.
Внесення у кристал, який складається з атомів чотиривалентних елементів (Германій, Силіцій), домішок різної валентності різко підсилює провідність одного типу. Кристал із підсиленою електронною провідністю — n-кристал, а з підсиленою дірковою провідністю — p-кристал. У першому випадку використовуються домішки-донори з валентністю, більшою за 4 (п’ятивалентні Стибій і Фосфор). У другому випадку використовуються домішки-акцептори з валентністю 3 (Арсен, Алюміній).

Електронно-дірковий перехід. Напівпровідниковий діод. Транзистор

Якщо одна частина напівпровідникового кристала має n-провідність, а інша — p-провідність, то це вже n-p-кристал. Межа контакту зон із різною провідністю — n-p-перехід. Він має однобічну провідність.

Схемі (а) підключення n-p-кристала до джерела струму відповідає дуже слабкий струм через кристал, а схемі (б) — сильний. Інакше кажучи, схемі (б) відповідає увімкнення подвійного кристала в пропускному напрямку, а схемі (а) — у запираючому.
Однобічна провідність n-p-переходу дозволяє використовувати подвійний кристал у ролі випрямляча змінного струму (подібно до вакуумного діода).

Напівпровідниковий тріод (транзистор)

Транзистор складається з трьох напівпровідникових кристалів із домішковою провідністю. Створено транзистори з різним чергуванням кристалів: n-p-n або p-n-p.


Транзистори використовують для генерування або підсилення радіосигналів.
Змінюючи різницю потенціалів між емітером і базою (подаючи на них змінну ), можна керувати колекторним струмом.

Струм у діелектриках

Поляризація діелектриків у змінних електричних полях розглядається як своєрідний струм (струм зміщення зв’язаних зарядів діелектриків). В електричному колі змінного струму, яке містить конденсатор, струми провідності в провідниках замикаються струмом зміщення в конденсаторі.

Струм у газах. Несамостійний і самостійний розряди. Поняття про плазму

Газ може стати провідником при значному нагріванні або при дії на нього ультрафіолетового, рентгенівського і гамма-випромінювання. Зовнішні іонізатори перетворюють частину молекул газу на позитивні іони, відщеплюючи від молекул електрони. Унаслідок приєднання електронів до нейтральних атомів у деяких газах можуть утворюватись і негативні іони.
Електричний струм у газі називають газовим розрядом.
Розряд, який виникає лише в присутності зовнішнього іонізатора, — несамостійний. Струм у газі, який не зникає при усуненні зовнішнього іонізатора, — самостійнийрозряд. Такому розряду відповідає ділянка CD вольт-амперної характеристики газового розряду. Самостійний розряд підтримується позитивними іонами газу, які в достатньо сильних полях: а) вибивають електрони з катода; б) викликають ударну іонізацію молекул газу. Спад напруги на ділянці CD — наслідок суттєвого зменшення опору газового проміжку між електродами в розрядній трубці.

Плазмою називається газ із значним ступенем іонізації молекул. Розрізняють плазму низько- (плазму газового розряду) і високотемпературну (у надрах Сонця та інших зірок).
a name=).

Copyright © 2009-2017. All Rights Reserved.