Электростатика

Главное по теме

• Электрический заряд измеряется в кулонах (Кл). Элементарный заряд e = 1,6·10⁻¹⁹ Кл, любой заряд кратен ему. Суммарный заряд замкнутой системы сохраняется.
• Закон Кулона: F = k · |q₁| · |q₂| / r², где k = 9·10⁹ Н·м²/Кл². Одноимённые заряды отталкиваются, разноимённые притягиваются.
• В среде с диэлектрической проницаемостью ε сила Кулона в ε раз меньше: F = k · |q₁| · |q₂| / (ε · r²).
• Напряжённость поля: E = F / q (Н/Кл или В/м). Для точечного заряда E = k · |q| / r². Поля складываются как векторы (принцип суперпозиции).
• Работа поля по перемещению заряда: A = q · U. Потенциал φ = W / q, напряжение U = φ₁ - φ₂. В однородном поле E = U / d.
• Электроёмкость конденсатора: C = q / U (Фарад). Плоский конденсатор: C = ε · ε₀ · S / d, ε₀ = 8,85·10⁻¹² Ф/м.
• Энергия заряженного конденсатора: W = C·U² / 2 = q·U / 2 = q²2C.
• Параллельно ёмкости складываются: C = C₁ + C₂. Последовательно складываются обратные величины: 1C = 1C₁ + 1C₂.
• Перед расчётом переводи приставки: 1 мкКл = 10⁻⁶ Кл, 1 нКл = 10⁻⁹ Кл, 1 мкФ = 10⁻⁶ Ф, 1 пФ = 10⁻¹² Ф, 1 см = 0,01 м.

Задания с разбором

Где теряют баллы

• Электростатика: закон Кулона, напряжённость, потенциал, конденсатор

  Ловушка: Потенциал делят на r², как напряжённость; забывают, что диэлектрик ослабляет силу в ε раз.

  Как решать: F = kq₁q₂εr², E = kq/r², φ = kq/r. Конденсатор: C = qU, W = CU²/2. Смотри степень r: в силе квадрат, в потенциале первая.

Объяснение простыми словами

Потри воздушный шарик о волосы и поднеси к стене: он прилипнет. Потри пластмассовую линейку о шерсть, и она притянет клочки бумаги. Никто их не клеил, а сила есть. Это работа электрического заряда. Тело, которое при трении получило лишние электроны или потеряло их, становится заряженным, и вокруг него появляется электрическое поле. Именно через поле одно заряженное тело действует на другое, даже на расстоянии, без прикосновения.

Начнём с самого заряда. Заряд обозначают буквой q, измеряют в кулонах (Кл). Заряды бывают положительные и отрицательные. Самый маленький заряд, который встречается в природе, называется элементарным: e = 1,6·10⁻¹⁹ Кл. У электрона он отрицательный, у протона положительный. Поэтому любой заряд кратен e: можно иметь заряд в три электрона, но нельзя в полтора. Ещё одно важное правило: в замкнутой системе сумма зарядов не меняется. Если с волос на шарик перешли электроны, то шарик станет заряжен отрицательно ровно настолько, насколько волосы станут заряжены положительно. Это закон сохранения заряда.

Дальше в Biik: продолжение объяснения, видеоразбор и проверка из 8 заданий по этой теме.

Термины

Электрический заряд

Физическая величина, которая показывает, насколько сильно тело участвует в электрических взаимодействиях; измеряется в кулонах (Кл).

Элементарный заряд

Наименьший существующий в природе заряд, e = 1,6·10⁻¹⁹ Кл; такой заряд у электрона (со знаком минус) и протона (со знаком плюс).

Закон сохранения заряда

В замкнутой системе алгебраическая сумма зарядов не меняется: заряд не возникает и не исчезает, а только переходит от тела к телу.

Электризация

Процесс, при котором тело получает заряд, например при трении или при соприкосновении с заряженным телом.

Точечный заряд

Заряженное тело, размерами которого можно пренебречь по сравнению с расстоянием до других зарядов.

Закон Кулона

Сила взаимодействия двух точечных зарядов прямо пропорциональна произведению зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.

Коэффициент k

Постоянная в законе Кулона, k = 9·10⁹ Н·м²/Кл² (для вакуума).

Диэлектрическая проницаемость ε

Число, показывающее, во сколько раз сила взаимодействия зарядов в среде меньше, чем в вакууме; для вакуума ε = 1.

Электрическое поле

Особая форма материи, которую создаёт заряд и через которую заряды действуют друг на друга.

Напряжённость поля E

Силовая характеристика поля: отношение силы, действующей на пробный заряд, к величине этого заряда, E = F / q.

Принцип суперпозиции

Поле нескольких зарядов равно векторной сумме полей, которые создавал бы каждый заряд в отдельности.

Линии напряжённости

Воображаемые линии, касательная к которым в каждой точке совпадает с направлением вектора E; они начинаются на положительных зарядах и заканчиваются на отрицательных.

Однородное поле

Поле, напряжённость которого во всех точках одинакова по модулю и направлению, например между пластинами плоского конденсатора.

Потенциал φ

Энергетическая характеристика поля: отношение потенциальной энергии заряда в данной точке к величине заряда, φ = W / q; измеряется в вольтах.

Напряжение (разность потенциалов) U

Работа поля по перемещению единичного положительного заряда между двумя точками, U = A / q; измеряется в вольтах (В).

Проводник в электрическом поле

В проводнике есть свободные заряды, поэтому внутри него поле равно нулю, а весь избыточный заряд находится на поверхности.

Диэлектрик

Вещество, в котором почти нет свободных зарядов; во внешнем поле оно поляризуется и ослабляет поле.

Электроёмкость C

Величина, показывающая, какой заряд нужно сообщить проводнику или конденсатору, чтобы напряжение выросло на 1 В; C = q / U, единица - фарад (Ф).

Конденсатор

Устройство из двух проводников (обкладок), разделённых слоем диэлектрика, предназначенное для накопления заряда и энергии поля.

Энергия конденсатора

Энергия электрического поля между обкладками: W = C·U² / 2.