Електростатичне поле та його потенціал

7

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ ТА НАУКИ УКРАЇНИ

НАЦІОНАЛЬНИЙ АГРАРНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Факультет землевпорядкування та кадастру

РЕФЕРАТ

на тему:

Електростатичне поле. Потенціал електростатичного поля. різниця потенціалів. Закон постійного струму. Закон ома.

Виконала: студентка І курсу ЗВ-ІІІ

Шевченко Яна

Київ 2007

Електростатичне поле

Перш ніж вводити поняття електростатичного поля, слід поговорити про теорію близькодії на відстані, яку почав розвивати англійський фізик Майкл Фарадей, а остаточно завершив Максвелл. Цю теорію в сучасному її вигляді зрозуміти надзвичайно важко, особисто я ніяк не розумію, яким же чином за теорією близькодії один заряд безпосередньо „відчуває” присутність іншого через пустоту.

Тут доцільно провести аналогію з ньютонівською теорією „далекодії на відстані”, згідно з якою одне тіло з величезною силою притягує інше тіло, знову ж таки через пустоту, так званий міжзоряний „вакуум”, хоча, ніхто дотепер не сказав, що це таке. Тільки уявіть, у пустоті діють так звані „сили”, і щоби їх „якось” компенсувати, одне тіло повинно обертатися навколо іншого, або навколо їх барицентра, тоді відцентрова сила (тут вже без лапок, бо вона цілком реальна!) якраз компенсує ньютонівську „силу тяжіння”. Далі більше. Уявіть собі, що електромагнітні хвилі розповсюджуються у „вакуумі” з кінцевою швидкістю. А значить, ніякий це не вакуум, а реальне середовище, подібне до середовища, у якому розповсюджується звук, теж, як відомо, з кінцевою швидкістю. Хто мені скаже, як буде розповсюджуватись звукова хвиля у безповітряному просторі? Або електромагнітна хвиля у пустоті? Швидкість цих хвиль буде рівною нескінченності. Кінцева швидкість поширення звуку говорить про те, що звук переносить повітря, цілком певний коефіцієнт опору якому має звукова хвиля. До того ж, швидкість поширення звуку в інших середовищах відмінна від швидкості поширення його в повітрі, але скрізь вона кінцева. Середовище, у якому поширюються електромагнітні хвилі, теж з певним коефіцієнтом опору, звалося раніше (кілька століть тому справді великі були праві, але їх не чули!) і зветься тепер ефіром, я не боюся цього терміну, хоч нехай сучасні фізики-теоретики повісять мене на першій гілляці.

Це був лише відступ. Повертаючись до теорії близькодії, можна сказати, що один заряд „відчуває” дію іншого. Під час переміщення одного заряду А сила, що діє на інший заряд В, вмить змінює своє значення. Причому, ні з самим зарядом В, ні з оточуючим простором нічого не відбувається.

За ідеєю Фарадея, електричні заряди не діють один на одного безпосередньо. Кожен заряд створює в навколишньому просторі електричне поле. Поле одного заряду діє на другий заряд і навпаки.

Спочатку ця ідея виражала одну лише впевненість Фарадея у неможливості взаємодії одного тіла на інше через пустоту. Доказів існування поля не було. Таких доказів і не можна дістати, досліджуючи нерухомі заряди. Успіх прийшов після вивчення електромагнітних взаємодій рухомих частинок. Спочатку було доведено існування змінних у часі полів, і тільки після цього зроблено висновок про реальність електричного поля нерухомих зарядів.

Використавши ідеї Фарадея, Максвелл теоретично довів скінченну швидкість поширення у просторі електромагнітних взаємодій, чим фактично показав реальність світлоносного ефіру.

Теж, задля відступу скажу, що людям, які пізнали вершки фізичних знань, здається, що вони знають дуже багато. Насправді ж, їх знання, навіть разом взяті, настільки мізерні, що не дозволяють зрозуміти світ Божий. От і Максвелу не повірили. Згодом фізики відмовились від не те що очевидного, а доведеного факту, відкинувши ефір, як середовище.

Про електричне поле сказано наступне - воно матеріальне, існує незалежно від нас, від наших уявлень про нього. Головна властивість електричного поля - здатність його діяти на електричні заряди з певною силою.

Електричне поле нерухомих зарядів називають електростатичним. Воно незмінне з часом і створене тільки електричними зарядами; існує в просторі, який оточує ці заряди і нерозривно з ними повязане.

Потенціал електростатичного поля

Робота будь-якого електростатичного поля під час переміщення зарядженого тіла з однієї точки в іншу, як і робота однорідного поля, не залежить від форми траєкторії. На замкнутій траєкторії робота електростатичного поля рівна нулю. Поля, які мають таку властивість, називають потенціальними.

Потенціальна енергія заряду в електростатичному полі пропорційна заряду. Це справедливо як для однорідних, так і для неоднорідних полів. Отже, відношення потенціальної енергії до заряду не залежить від заряду, вміщеного в полі.

Це дає змогу ввести нову кількісну характеристику поля - потенціал. Потенціалом електростатичного поля називають відношення потенціальної енергії заряду в полі до величини цього заряду. Іншими словами, потенціал чисельно дорівнює енергії одиничного заряду в полі:

Якщо за нульовий рівень потенціалу взяти негативно заряджену пластину, то потенціал однорідного поля дорівнює

де Е - напруженість поля, d - відстань від пластини.

Різниця потенціалів

Подібно до потенціальної енергії значення потенціалу в даній точці залежить від нульового рівня для відліку потенціалу. Практичне значення має не сам потенціал, а його зміна, яка не залежить від вибору нульового рівня відліку потенціалу.

За означенням, різниця потенціалів між двома точками дорівнює відношенню роботи поля по переміщенню заряду з початкової точки в кінцеву до величини цього заряду, або, інакше кажучи, чисельно дорівнює роботі, затраченій на переміщення одиничного позитивного заряду:

.

Різниця потенціалів між двома точками рівна одиниці, якщо під час переміщення заряду в 1 Кл з однієї точки в іншу електричне поле виконує роботу 1 Дж. Цю одиницю називають вольт (В).

Закон постійного струму

Коли заряджені частинки рухаються, то електричний заряд переноситься з одного місця в інше. При умові перебування зарядів у безладному тепловому русі заряд не переноситься. Електричний заряд переноситься через переріз провідника лише тоді, коли поряд з хаотичним рухом електрони беруть участь в упорядкованому русі. У цьому випадку говорять, що у провіднику встановився електричний струм. Електричний струм виникає, коли впорядковано переміщуються вільні електрони в металах або іони в електролітах.

За напрям струму приймають напрям руху позитивно заряджених частинок. Такий вибір напряму струму не дуже вдалий, оскільки здебільшого струм - це рух електронів. Напрямок струму обирали тоді, коли про вільні електрони в металах нічого не знали.

Малий елемент заряду, перенесений за елемент часу dt є основною кількісною характеристикою струму, що називається силою струму:

.

Якщо сила струму та його напрям з часом не змінюються, тобто , то такий струм називають постійним.

Існує альтернативна думка про те, що таке електромагнітний струм (чисто „електричного” струму струм взагалі-то не буває, оскільки на додаток до дивергентної, тобто електричної складової є роторна, тобто магнітна складова, нехай навіть невелика). Придивімося до рекламних вогнів, у яких задіяно багато електричних ламп чи світлодіодів. Коли йде вказана реклама, спостерігачеві здається, що світні точки чи літери, що складені з цих точок, рухаються (прикладом є рухомий рядок). То дитині ще можна якось розповісти казочку про існування Діда Мороза десь у Лапландії, рівно як і про те, що вказані вище вогні реально рухаються. А якщо серйозно, то відчуття „руху” створюється перемиканням ламп через певні інтервали часу. Лампи або світлодіоди як були на своїх місцях, так і залишаються. Те ж саме являє собою і електромагнітний струм, який є не що інше, як коливання біполів. Так, я не помилилася, саме біополів, а не диполів, оскільки протилежно заряджені частинки так званого диполя, ну майже ніколи не бувають однаковими в розмірах.

Закон Ома

Для будь-якого провідника існує певна залежність сили струму від прикладеної різниці потенціалів. Це так звана вольт-амперна характеристика провідника.

Найпростіший вигляд має вольт-амперна характеристика металевих провідників і розчинів електролітів. Вперше її встановив для металів німецький фізик Ом Георг Сімон. Залежність сили струму від напруги називають законом Ома: . Коефіцієнт пропорційності, що не залежить від напруги, прийнято позначати або через , де R - електричний опір, або через г, тільки у цьому разі дана величина матиме назву електрична провідність. Одиниця опору в СІ - Ом, а одиниця провідності - Сіменс (См).

Вищенаведена рівність виражає закон Ома для ділянки кола. Цей же закон для замкненого кола, що містить джерело струму з ЕРС е та внутрішнім опором r має вигляд:

.

Наведені дві рівності суть інтегральна форма запису закону Ома. Існує ще й диференціальна форма: , оскільки скаляр густини струму дорівнює

,

де dS? - проекція малого елементу поверхні dS на площину, перпендикулярну до .

Список використаної літератури

1. Б.М.Яворовский, А.А.Детлаф: Справочник по физике для инженеров и студентов ВУЗов, изд.7, исправленное: М:Наука, 1977.

2. Ю.В.Гофман: Законы, формулы, задачи физики: справочник: К:, «Наукова думка», 1977.