Презентация на тему "Электрическое поле в вакууме"

Содержание

• 
  Слайд 1

  ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ В ВАКУУМЕ

• 
  Слайд 2
  

  1. Электромагнитное поле. Электрические заряды. Закон сохранения заряда. Электромагнитное поле является одной из форм материи и обладает массой, энергией, импульсом и т.д., как и вещество. Электрическое поле создается электрическими зарядами и изменяю­щимися магнитными полями и передает действие электрических сил. Магнитное поле создается движущимися электрическими зарядами и изменяющимися электрическими полями и передает действие магнитных сил.  

• 
  Слайд 3
  

  Электрический заряд - неотъемлемое свойство заряженных элемен­тарных частиц. Заряженная частица не может «потерять» заряд так же, как она не может «лишиться» массы. Закон сохранения электрического заряда: если система является замкнутой , то полный электрический заряд системы (алгебраическая сумма положительных и отрицательных зарядов) сохраняется: q1 + q2+ ... + qn = const Любой другой электрический заряд является дискретным: он состоит из целого числа элементарных зарядов q = ±|е| N, где N - целое (1, 2, 3 ...) положительное число.

• 
  Слайд 4
  

  2. Закон Кулона Количественно взаимодействие неподвижных точечных зарядов опре­деляется законом Кулона Согласно закону Кулона, электрическая сила, с которой точечный за­ряд q1 действует в вакууме на точечный заряд q2, пропорциональна произведению зарядов, обратно пропорциональна квадрату расстоя­ния между ними и направлена по прямой, соединяющей заряды:     Модуль силы F12 равен:   где r - расстояние между зарядами.

• 
  Слайд 5
  

  3. Напряженность электрического поля   Каждый заряд создает в окружающем пространстве электрическое по­ле (ЭП) и через него действует на другие заряды. Электрический заряд, которым создается ЭП, называется точечным зарядом q. Электрический заряд, с помощью которого обнаруживается и исследуется электрическое поле, на­зывается пробным зарядом. Это точечный положительный заряд. Обозначим пробный заряд символом q0. Силовой характеристикой ЭП является напряженность электрического поля.  

• 
  Слайд 6
  

      Модуль вектора напряженности поля точечного заряда равен Единицы измерения напряженности [В/м или Н/Кл] Принцип суперпозиции: результирующая напряженности ЭП равна векторной сумме напряженностей, созданных каждым зарядом в отдельности.   Подставим в формулу для напряженности:  

• 
  Слайд 7
  
• 
  Слайд 8
  

  4. Потенциал электростатического поля Пусть точечный положительный заряд q перемещается на расстояние dl в электрическом поле. На заряд действует поле с силой F, составляю­щей угол α с направлением движения. При этом совершается эле­ментарная работа dA = F dl cos α Но F = q0E, где E - напряжен­ность поля. Следовательно, dA = q0E dl cosa = q0Edr     Работа электрического поля не зависит от формы пути, по которому происходит движение заряда q, а зависит только от начального и конечно­го положений передвигающегося заряда, а так же от заряда, создающего поле. При движении заряда по замкнутому пути работа равна ну­лю. Поля, в которых работа по любому замкнутому контуру равна нулю, называют потенциальными.

• 
  Слайд 9
  

  Отношение потенциальной энергии к пробному заряду называют потенциалом:   Потенциал – это энергетическая характеристика электрического поля.Учитывая, что потенциальная энергия:     Работа электрического поля равна разности потенциальной энергии:   или     получим или  

• 
  Слайд 10
  

  Эквипотенциальная поверхность – это поверхность, все точки которой имеют одинаковый потенциал. Эквипотенциальные поверхности имеют следующие свойства: 1. Работа при перемещении заряда между любыми точками одной и той же эквипотенциальной поверхности равна нулю:   2. Вектора напряженности перпендикулярны эквипотенциальным поверхностям. Действительно, т.к. работа определяется по формуле:       Так как    

• 
  Слайд 11
  

  5. Связь между напряженностью и потенциалом электростатического поля При перемещении заряда q из точки 1 в точку 2 силы поля совершают работу, которая может быть выражена:   или   Приравняв правые части и сократив на q, получим       Так как потенциал может изменяться и вдоль осей у и z, то следует пи­сать частную производную   Для нахождения вектора по его проекциям необходимо каждую про­екцию умножить на единичный вектор соответствующей оси и затем сло­жить полученные векторы:  

• 
  Слайд 12
  

  или       Напряженность в каждой точке электростатического поля равна по абсолютной величине и противоположна по направлению градиенту потенциала в этой же точке.

• 
  Слайд 13
  

  6. Поток вектора напряженности     Единица потока вектора напряженности электростатического поля В∙м.  

• 
  Слайд 14
  

  7. Теорема Остроградского-Гаусса Определим поток вектора напряженности через замкнутую сфери­ческую поверхность, в центре которой находится положительный точечный заряд Q. Силовые линии из точечного положительного заряда исходят радиально, т.е. направлены перпендикулярно к поверхности сферы Силовые линии из точечного положительного заряда исходят радиально, т.е. направлены перпендикулярно к поверхности сферы Напряженность поля в любой точке по­верхности сферы радиуса r одинакова и равна   Поток напряженности      

• 
  Слайд 15
  

          Теорема Остроградского-Гаусса:поток вектора напряженности электростатического поля в вакууме сквозь произвольную замкнутую поверхность равен алгебраической сумме заключенных внутри этой поверхности зарядов, деленной на электрическую постоянную.

• 
  Слайд 16
  

  8. Применение теоремы Остроградского-Гаусса Если заряд Q протяженный, его разбивают на элементарные порции dQ, которые можно считать точечными. Заряд, распределенный по объему, поверхности и линии, называют объемным, поверхност­ным, линейным.     линейная плотность заряда – это заряд, приходящийся на единицу длины:   объемная плотность заряда – это заряд, приходящийся на единицу объема:  

• 
  Слайд 17
  

  8.1 Напряженность электрического поля равномерно заряженной сферы Пусть общий заряд сферы радиуса R равен Q. Поскольку она заряжена равномерно, то поле, окружающее ее, обладает сферической симметрией: его напряженность будет иметь в каждой точке направление радиус-вектора. Определим напряженность в некоторой точке А, расположенной на расстоянии r от центра сферы. Проведем мысленно через эту точку сферическую поверхность (радиуса r). Поток напряженности через эту поверхность   По теореме Остроградского-Гаусса поток напряженности равен:   Следовательно,     В точках, для которых расстояние меньше R, электрическое поле отсутствует, т.е. напряженность равна нулю, т.к. внутри сферы нет зарядов.

• 
  Слайд 18
  

  8.2 Напряженность поля объемно заряженного шара Пусть шар радиуса R с общим зарядом Q заряжен равномерно с объемной плотностью ρ Для напряженности поля вне шара получится тот же результат, что и для равномерно заряженной сферы. Внутри же шара напряженность поля будет другая. Напряженность поля вне равномерно заряженного шара описывается формулой   Напряженность внутри заряженного шара изменяется линейно с расстоянием r согласно выражению  

• 
  Слайд 19
  

  8.3 Напряженность поля равномерно заряженной бесконечной плоскости     Поток вектора напряженности сквозь боковую поверхность цилиндра равен нулю, а полный поток сквозь цилиндр равен сумме потоков сквозь его основания Напряженность поля на любых расстояниях одинакова по модулю, иными словами, поле однородно

• 
  Слайд 20
  

  8.4 Напряженность поля двух параллельных, бесконечных, разноименно заряженных плоскостей   На рисунке верхние стрелки соответствуют полю от положительно заряженной плоскости, нижние — от отрицательной плоскости. Слева и справа от плоскостей поля вычитаются (линии напряженности направлены навстречу друг другу), поэтому здесь напряженность поля Е = 0. В области между плоскостями Е = Е+ + Е- Результирующая напряженность   или  

• 
  Слайд 21
  

  8.5 Напряженность поля вблизи равномерно заряженной нити (равномерно заряженного бесконечного цилиндра) Пусть нить длиной Lнесет равномерно распределенный на ней заряд Q. Напряженность на расстоянии r от бесконечно заряженной нити равна:    

• 
  Слайд 22

  Проводники и диэлектрики в электрическом поле

• 
  Слайд 23
  

  В зависимости от способности проводить электрический ток все вещества делятся на проводники, диэлектрики (изоляторы) и полупроводни­ки. Проводники - это вещества, хорошо проводящие электрический ток. В таких веществах имеются свободные носители заряда, концентра­ция которых может достигать 1029 м-3. Проводниками являются металлы, электролиты, расплавы, ионизованные газы, плазма и др. Диэлектрики - это вещества, плохо проводящие электрический ток. При не слишком высоких температурах и при не очень сильныхполях диэлектрики проводят ток в 1015 - 1020 раз хуже, чем проводники. Свобод­ных носителей заряда в диэлектриках почти нет. Диэлектриками являются газы при обычных условиях, многие чистые жидкости, слюда, фарфор, мрамор и др. Полупроводники - это вещества, которые по своей способности проводить ток занимают промежуточное положение между проводни­ками и диэлектриками. К ним относятся некоторые химическичистыеэлементы (кремний, германий, селен и др.) и многие химические соедине­ния.

• 
  Слайд 24
  

  1. Диполь. Поляризация диполя Электрический диполь – система двух равных по модулю разноименных точечных зарядов (+Q, -Q), расстояние между которыми значительно меньше расстояния до рассматриваемых точек поля.    

• 
  Слайд 25
  

  У некоторых диэлектриков (Н2О, NH3, SO2, СО и др.) молекулы имеют асимметричное строение: центры «тяжести» отрицательных и положительных зарядов у них не сов­падают. Таким образом, эти молекулы в отсутствие внешнего электриче­ского поля обладают дипольным моментом. Их называют полярными мо­лекулами. При отсутствии внешнего поля дипольные моменты полярных молекул вследствие теплового движения ориентированы в пространстве хаотично и их суммарный момент равен нулю. Но если такой диэлектрик поместить во внешнее электрическое поле, то силы поля будут стремиться повернуть диполи вдоль поля, в результате чего на поверхности диэлектрика появляются электрические заряды и возникает отличный от нуля результирующий дипольный момент. Это явление носит название поляризацией диэлектрика. Поляризацией диэлектрика называется процесс ориентации диполей или появление под воздействием электрического поля ориентированных по полю диполе

• 
  Слайд 26
  

  Другие диэлектрики (N2, Н2, О2, СО2, СН4 и др.) имеют симмет­ричное строение молекул. У них центры «тяжести» положительных и от­рицательных зарядов в отсутствие внешнего электрического поля совпа­дают. Их дипольный момент в силу этого равен нулю. Такие молекулы на­зывают неполярными. В электрическом поле вследствие деформации электронных обо­лочек атомов, образующих молекулу, происходит разделение центров положительного и отрицательного зарядов, вследствие чего молекула поляризуется и приобретает дипольный момент. В электрическом поле оси таких молекул также ориентируются по полю тем более интен­сивно, чем больше напряженность поля. Однако отделить положитель­ный заряд от отрицательного у диэлектрика нельзя; если разделить его на две или не­сколько частей, то на концах каждой части обнаружится электризация противополож­ного знака, которая исчезает после прекра­щения действия поля.

• 
  Слайд 27
  

  Поляризация диэлектриков ослабляет в ε раз электрическое поле в них.     Относительная диэлектрическая проницаемость ε есть величина безразмерная она количественно характеризует свойство диэлектрика поляризоваться в электрическом поле.

• 
  Слайд 28
  

  2. Проводники в электрическом поле Под влиянием электрического поля свободные электроны проводника начнут перемешаться против поля. В результате одна часть поверхности проводника зарядится отрицательно, а другая, на которой окажется недостаток электронов - положительно. Это явление называется электростатической индукцией. Индуцированные заряды создают внутри проводника свое собственное поле, которое, очевидно, будет направлено противоположно внешнему полю, первоначально пронизывающему про­водник. Перераспределение зарядов будет происходить до тех пор, пока внешнее поле внутри проводника не с компенсируется собственным полем индуцированных зарядов.При этом перераспределение зарядов прекратит­ся и поле внутри проводника станет равным нулю. Таким образом, внутри проводника, помещенного в электрическое поле, поле отсутствует.Это оз­начает, что все точки проводника имеют одинаковый потенциал, т.е. что проводник является эквипотенциальным телом, а поверхность его является эквипотенциальной поверхностью. Электрическое поле вблизи краев и острых выступов проводника может быть столь сильным, что оказывается способным ионизировать моле­кулы воздуха. Возникает явление, называемое стеканием зарядов.

• 
  Слайд 29
  

  При сообщении уединенному проводнику заряда q его потенциал изменяется на Δφ. Опыт показывает, что между q и φ всегда су­ществует прямо пропорциональная зависимость     Емкость уединенного проводника зависит от его размеров и формы, но совершенно не зависит от материала проводника, массы, его агрегатного состояния и температуры. За единицу электроемкости уединенного проводника в СИ прини­мают электроемкость такого проводника, потенциал которого изме­няется на 1 В при сообщении ему заряда в 1 Кл. Эта единица емкости называется фарадой: 1 Ф=1 Кл/1 В

• 
  Слайд 30
  

  3. Конденсаторы Приборы, способные накапливать заряд, называют конденсаторами. Чтобы электроемкость С проводников не зависела от окружающих тел, нужно обеспечить наличие поля только между этими проводниками. Достигается это путем придания проводникам формы либо двух близко расположенных парал­лельных пластин, либо двух коаксиальных цилиндров, либо двух концен­трических сфер и сообщения им равных по величине и противоположных по знаку зарядов. Системы, состоящие из двух разноименно заряженных проводников, расстояние между которыми значительно меньше их линейных раз­меров, называются конденсаторами. Форма обкладок определяет название конденсатора: плоский, цилиндрический, сфе­рический и т.п.) Зарядом конденсатора называют абсолют­ную величину заряда одной из обкладок.

• 
  Слайд 31
  

  Электроемкостью конденсатора называется физическая величина численно равная отношению заряда конденсатора к абсолютной величине разности потенциалов между его обкладками:   Емкость конденсатора зависит от формы, размеров н взаимного расположения обкладок и от проницаемости ε диэлектрика между обкладками.      

• 
  Слайд 32
  

  4. Соединение конденсаторов     - при параллельном соединении конденсаторов емкость равна сумме емкостей конденсаторов или  

• 
  Слайд 33
  

  При последовательном соединении заряды, всех обкладок будут одинаковымипо величине и равными Q, аразность потенциалов   Емкость такой батареи      

• 
  Слайд 34
  

  5. Энергия заряженного конденсатора