CÂMPUL ELECTROSTATIC
câmp electrostatic taxa de testare q 0
tensiune
, (4)
, 
. (5)
LUCRAREA FORȚELOR DE CÂMP ELECTROSTATICE. POTENŢIAL
Câmpul electric, ca și câmpul gravitațional, este potențial. Acestea. munca efectuată de forțele electrostatice nu depinde de traseul pe care sarcina q este deplasată în câmpul electric de la punctul 1 la punctul 2. Acest lucru este egal cu diferența de energii potențiale deținute de sarcina în mișcare la începutul și puncte finale ale domeniului:
A 1,2 = W 1 – W 2. (7)
Se poate demonstra că energia potențială a unei sarcini q este direct proporțională cu mărimea acestei sarcini. Prin urmare, ca caracteristică energetică a unui câmp electrostatic, se utilizează raportul dintre energia potențială a unei sarcini de testare q 0 plasată în orice punct al câmpului și valoarea acestei sarcini:
Această cantitate reprezintă cantitatea de energie potențială pe unitatea de sarcină pozitivă și se numește potențial de câmp la un punct dat. [φ] = J / Cl = V (Volți).
Dacă acceptăm că atunci când sarcina q 0 se îndepărtează la infinit (r→ ∞), energia sa potențială în câmpul sarcinii q devine zero, atunci potențialul câmpului unei sarcini punctiforme q la distanța r de aceasta:
. (9)
Dacă un câmp este creat de un sistem de sarcini punctiforme, atunci potențialul câmpului rezultat este egal cu suma algebrică (inclusiv semnele) a potențialelor fiecăruia dintre ele:
. (10)
Din definiția potențialului (8) și expresia (7), munca efectuată de forțele câmpului electrostatic pentru a muta sarcina din
punctele 1 până la punctul 2 pot fi reprezentate astfel:
CURENTUL ELECTRIC ÎN GAZE
DESCARCARE DE GAZ AUTOSUstinita
Gazele sunt buni izolatori la temperaturi care nu sunt prea mari și la presiuni apropiate de cea atmosferică. Dacă este pus în uscat aerul atmosferic, un electrometru încărcat, sarcina acestuia rămâne neschimbată mult timp. Acest lucru se explică prin faptul că gazele când conditii normale constau din atomi și molecule neutre și nu conțin sarcini libere (electroni și ioni). Un gaz devine conductor de electricitate numai atunci când unele dintre moleculele sale sunt ionizate. Pentru a ioniza, gazul trebuie expus la un fel de ionizator: de exemplu, o descărcare electrică, radiații cu raze X, radiații sau radiații UV, flacără de lumânare etc. (în acest din urmă caz, conductivitatea electrică a gazului este cauzată de încălzire).
În timpul ionizării gazelor, unul sau mai mulți electroni sunt îndepărtați din învelișul exterior de electroni a unui atom sau a unei molecule, ceea ce duce la formarea de electroni liberi și ioni pozitivi. Electronii se pot atașa de molecule și atomi neutri, transformându-i în ioni negativi. Prin urmare, un gaz ionizat conține ioni încărcați pozitiv și negativ și electroni liberi. E Curentul electric din gaze se numește descărcare gazoasă. Astfel, curentul din gaze este creat de ioni atât de semne, cât și de electroni. O descărcare de gaz cu un astfel de mecanism va fi însoțită de transferul de materie, adică. Gazele ionizate sunt clasificate drept conductoare de al doilea tip.
Pentru a elimina un electron dintr-o moleculă sau atom, este necesar să se efectueze o anumită cantitate de lucru A și, adică. cheltuiește puțină energie. Această energie se numește energie de ionizare , ale căror valori pentru atomi diverse substanțe se situează în intervalul 4÷25 eV. Procesul de ionizare este de obicei caracterizat cantitativ printr-o cantitate numită potenţial de ionizare :
Concomitent cu procesul de ionizare într-un gaz, are loc întotdeauna procesul invers - procesul de recombinare: ioni pozitivi și negativi sau ioni și electroni pozitivi, întâlnindu-se, reunindu-se între ei pentru a forma atomi și molecule neutre. Cu cât apar mai mulți ioni sub influența ionizatorului, cu atât procesul de recombinare este mai intens.
Strict vorbind, conductivitatea electrică a unui gaz nu este niciodată nulă, deoarece acesta conține întotdeauna sarcini libere formate ca urmare a acțiunii radiațiilor din substanțele radioactive prezente pe suprafața Pământului, precum și a radiațiilor cosmice. Intensitatea ionizării sub influența acestor factori este scăzută. Această conductivitate electrică nesemnificativă a aerului determină scurgerea sarcinilor din corpurile electrificate, chiar dacă acestea sunt bine izolate.
Natura descărcării gazului este determinată de compoziția gazului, temperatura și presiunea acestuia, dimensiunea, configurația și materialul electrozilor, precum și tensiunea aplicată și densitatea curentului.
Să considerăm un circuit care conține un spațiu de gaz (Fig.), supus unei expuneri continue, de intensitate constantă, la un ionizator. Ca urmare a acțiunii ionizatorului, gazul capătă o anumită conductivitate electrică și curge curent în circuit. Figura prezintă caracteristicile curent-tensiune (curent versus tensiune aplicată) pentru două ionizatoare. Performanţă 
(numărul de perechi de ioni produse de ionizator în golul de gaz într-o secundă) celui de-al doilea ionizator este mai mare decât primul. Vom presupune că productivitatea ionizatorului este constantă și egală cu n 0. La presiune nu foarte scăzută, aproape toți electronii detașați sunt capturați de molecule neutre, formând ioni încărcați negativ. Luând în considerare recombinarea, presupunem că concentrațiile de ioni ale ambelor semne sunt aceleași și egale cu n. Vitezele medii de derivă ale ionilor de diferite semne într-un câmp electric sunt diferite: , . b - și b + – mobilitatea ionilor de gaz. Acum, pentru regiunea I, luând în considerare (5), putem scrie:
După cum se poate observa, în regiunea I, cu creșterea tensiunii, curentul crește, pe măsură ce crește viteza de derive. Numărul de perechi de ioni recombinați va scădea odată cu creșterea vitezei.
Regiunea II - regiunea curentului de saturație - toți ionii creați de ionizator ajung la electrozi fără a avea timp să se recombine. Densitatea curentului de saturație
j n = q n 0 d, (28)
unde d este lățimea spațiului de gaz (distanța dintre electrozi). După cum se poate vedea din (28), curentul de saturație este o măsură actiune ionizanta ionizator.
La o tensiune mai mare decât U p p (regiunea III), viteza electronilor atinge o astfel de valoare încât atunci când se ciocnesc cu molecule neutre sunt capabile să provoace ionizare prin impact. Ca rezultat, se formează perechi suplimentare de ioni An 0. Mărimea A se numește coeficient de câștig de gaz . În regiunea III, acest coeficient nu depinde de n 0, ci depinde de U. Astfel. sarcina care ajunge la electrozi la constanta U este direct proporțională cu performanța ionizatorului - n 0 și cu tensiunea U. Din acest motiv, regiunea III se numește regiunea de proporționalitate. U pr – pragul de proporționalitate. Factorul de amplificare a gazului A are valori de la 1 la 104.
În regiunea IV, regiunea proporționalității parțiale, coeficientul de câștig al gazului începe să depindă de n 0. Această dependență crește odată cu creșterea U. Curentul crește brusc.
În domeniul de tensiune 0 ÷ U g, curentul în gaz există numai atunci când ionizatorul este activ. Dacă acțiunea ionizatorului este oprită, se oprește și descărcarea. Descărcările care există numai sub influența ionizatorilor externi se numesc neauto-susținute.
Tensiunea Ug este pragul regiunii, regiunea Geiger, care corespunde stării în care procesul din golul de gaz nu dispare nici după ce ionizatorul este oprit, adică. scurgerea capata caracterul unei descarcari independente. Ionii primari doar dau impuls apariției unei descărcări de gaz. În această regiune, ionii masivi ai ambelor semne dobândesc, de asemenea, capacitatea de a ioniza. Mărimea curentului nu depinde de n 0 .
În regiunea VI, tensiunea este atât de mare încât descărcarea, odată apărută, nu se oprește - regiunea de descărcare continuă.
DESCARCARE DE GAZ AUTOINDEPENDENȚĂ ȘI TIPURILE ACESTE
O descărcare într-un gaz care persistă după ce ionizatorul extern încetează să funcționeze se numește autodescărcare.
Să luăm în considerare condițiile pentru apariția unei descărcări auto-susținute. La tensiuni înalte (regiunile V–VI), electronii generați sub influența unui ionizator extern, puternic accelerați de câmpul electric, se ciocnesc cu moleculele de gaz neutru și le ionizează. Ca rezultat, se formează electroni secundari și ioni pozitivi (procesul 1 în Fig. 158). Ionii pozitivi se deplasează spre catod, iar electronii se deplasează spre anod. Electronii secundari reionizează moleculele de gaz și, prin urmare, numărul total de electroni și ioni va crește pe măsură ce electronii se deplasează spre anod într-un mod de avalanșă. Aceasta determină o creștere a curentului electric (vezi Fig. Zona V). Procesul descris se numește ionizare de impact.
Cu toate acestea, ionizarea de impact sub influența electronilor nu este suficientă pentru a menține descărcarea atunci când ionizatorul extern este îndepărtat. Pentru a face acest lucru, este necesar ca avalanșele de electroni să fie „reproduse”, adică să apară noi electroni în gaz sub influența unor procese. Astfel de procese sunt prezentate schematic în Fig. 158: Ionii pozitivi accelerați de câmp, lovind catodul, scot electroni din acesta (procesul 2); Ionii pozitivi, care se ciocnesc cu moleculele de gaz, le transferă într-o stare excitată, tranziția unor astfel de molecule la o stare normală este însoțită de emisia unui foton (procesul 3); Un foton absorbit de o moleculă neutră îl ionizează, are loc așa-numitul proces de ionizare fotonică a moleculelor (procesul 4); Eliminarea electronilor din catod sub influența fotonilor (procesul 5).
În cele din urmă, la tensiuni semnificative între electrozii decalajului de gaz, vine un moment în care ionii pozitivi, care au o cale liberă mai scurtă decât electronii, dobândesc energie suficientă pentru a ioniza moleculele de gaz (procesul 6), iar avalanșele ionice se îndreaptă spre placa negativă. Când, pe lângă avalanșele de electroni, apar și avalanșe de ioni, puterea curentului crește practic fără creșterea tensiunii (regiunea VI din figură).
Ca urmare a proceselor descrise, numărul de ioni și electroni din volumul gazului crește ca o avalanșă, iar descărcarea devine independentă, adică persistă chiar și după terminarea ionizatorului extern. Tensiunea la care are loc o autodescărcare se numește tensiune de ruptură. Pentru aer, aceasta este aproximativ 30.000 V pentru fiecare centimetru de distanță.
În funcție de presiunea gazului, de configurația electrozilor și de parametrii circuitului extern, putem vorbi despre patru tipuri de descărcare independentă: strălucire, scânteie, arc și coroană.
1. Descărcare strălucitoare. Apare la presiuni scăzute. Dacă electrozii lipiți într-un tub de sticlă lung de 30÷50 cm se aplică o tensiune constantă de câteva sute de volți, pompând treptat aerul din tub, atunci la o presiune de ≈ 5,3÷6,7 kPa apare o descărcare sub forma unei cordon luminos, înfăşurat roşcat, mergând de la catod la anod. Cu o scădere suplimentară a presiunii, cordonul se îngroașă, iar la o presiune de ≈ 13 Pa descărcarea are forma prezentată schematic în Fig.
Direct adiacent catodului este un strat luminos subțire 1 - prima strălucire catodică, sau film catodic, urmat de un strat întunecat 2 - spațiul întunecat al catodului, care trece apoi în stratul luminos 3 - o strălucire mocnitoare, care are o strălucire ascuțită. limita pe partea catodului, dispărând treptat pe partea anodului. Apare din cauza recombinării electronilor cu ionii pozitivi. Strălucirea care mocnește este mărginită de un spațiu întunecat 4 - spațiul întunecat Faraday, urmat de o coloană de gaz luminos ionizat 5 - coloana pozitivă. Coloana pozitivă nu are un rol semnificativ în menținerea descărcării. De exemplu, când distanța dintre electrozii tubului scade, lungimea acestuia scade, în timp ce părțile catodice ale descărcării rămân neschimbate ca formă și dimensiune. Într-o descărcare strălucitoare, doar două părți ale acesteia sunt de o importanță deosebită pentru întreținerea acesteia: spațiul întunecat catodic și strălucirea. În spațiul întunecat al catodului, există o accelerare puternică a electronilor și ionilor pozitivi, scoțând electronii din catod (emisia secundară). În regiunea strălucirii mocnite, are loc ionizarea prin impact a moleculelor de gaz de către electroni. Ionii pozitivi formați în acest caz se îndreaptă spre catod și scot noi electroni din acesta, care, la rândul lor, ionizează din nou gazul etc. În acest fel, descărcarea strălucitoare este menținută continuu.
Odată cu pomparea suplimentară a tubului la o presiune de ≈ 1,3 Pa, strălucirea gazului slăbește și pereții tubului încep să strălucească. Electronii scoși din catod de ionii pozitivi la o astfel de rarefacție se ciocnesc rar cu moleculele de gaz și, prin urmare, accelerați de câmp, lovin sticla, determinând-o să strălucească, așa-numita catodoluminiscență. Fluxul acestor electroni a fost numit istoric raze catodice.
Descărcarea strălucitoare este utilizată pe scară largă în tehnologie. Deoarece strălucirea coloanei pozitive are o culoare caracteristică fiecărui gaz, este utilizată în tuburile de lumină cu gaz pentru inscripții luminoase și reclame (de exemplu, tuburile cu descărcare în gaz neon dau o strălucire roșie, argon - verde-albăstrui). În lămpile fluorescente, care sunt mai economice decât lămpile incandescente, radiația cu descărcare strălucitoare care apare în vaporii de mercur este absorbită de o substanță fluorescentă (fosfor) depusă pe suprafața interioară a tubului, care începe să strălucească sub influența radiației absorbite. Spectrul de luminescență, cu selecția adecvată a fosforilor, este aproape de spectrul radiației solare. Descărcarea strălucitoare este utilizată pentru depunerea catodică a metalelor. Substanța catodică într-o descărcare strălucitoare, din cauza bombardării cu ioni pozitivi, devine foarte fierbinte și intră în stare de vapori. Prin plasarea diferitelor obiecte lângă catod, acestea pot fi acoperite cu un strat uniform de metal.
2. Descărcare prin scânteie. Apare sub tensiune mare câmp electric.(≈ 3·10 6 V/m) într-un gaz sub presiune de ordinul presiunii atmosferice. Scânteia are aspectul unui canal subțire strălucitor, curbat și ramificat complex.
Explicația descărcării scânteii este dată pe baza teoriei streamerului, conform căreia apariția unui canal de scânteie strălucitor este precedată de apariția unor acumulări slab strălucitoare de gaz ionizat. Aceste grupuri sunt numite streamers. Streamerele apar nu numai ca urmare a formării avalanșelor de electroni prin ionizarea prin impact, ci și ca rezultat al ionizării fotonilor a gazului. Avalanșele, prinzându-se una pe cealaltă, formează poduri conducătoare de la streamers, de-a lungul cărora în următoarele momente de timp se repetă fluxuri puternice de electroni, formând canale de descărcare a scânteilor. Datorită eliberării unei cantități mari de energie în timpul proceselor luate în considerare, gazul din eclator este încălzit la o temperatură foarte ridicată (aproximativ 10 4 K), ceea ce duce la strălucirea acestuia. Încălzirea rapidă a gazului duce la o creștere a presiunii și la formarea undelor de șoc, care explică efectele sonore ale unei descărcări de scântei - sunetul trosnet caracteristic în descărcări slabe și tunete puternice în cazul fulgerelor, care este un exemplu de descărcări puternice de scântei între un nor de tunete și Pământ sau între doi nori de tunet.
Descărcarea prin scânteie este utilizată pentru a aprinde un amestec combustibil în motoarele cu ardere internă și pentru a proteja liniile electrice de transmisie de supratensiuni (eclatoare). Când lungimea golului de descărcare este scurtă, descărcarea scânteii provoacă distrugerea (eroziunea) suprafeței metalice, deci este utilizată pentru prelucrarea cu precizie a metalelor cu scântei electrice (tăiere, găurire). Este folosit în analiza spectrală pentru a înregistra particulele încărcate (contoare de scântei).
3. Descărcarea arcului. Dacă, după aprinderea unei descărcări de scânteie dintr-o sursă puternică, distanța dintre electrozi este redusă treptat, atunci descărcarea devine continuă - are loc o descărcare cu arc. În acest caz, curentul crește brusc, ajungând la sute de amperi, iar tensiunea pe intervalul de descărcare scade la câteva zeci de volți. O descărcare cu arc poate fi obținută dintr-o sursă de joasă tensiune, ocolind stadiul de scânteie. Pentru a face acest lucru, electrozii (de exemplu, carbonul) sunt adunați împreună până când se ating; devin foarte fierbinți soc electric, apoi se separă și se obține un arc electric (așa a fost descoperit de omul de știință rus V.V. Petrov). La presiunea atmosferică, temperatura catodului este de aproximativ 3900 K. Pe măsură ce arcul arde, catodul de carbon devine mai ascuțit, iar pe anod se formează o depresiune - un crater, care este punctul cel mai fierbinte al arcului.
Conform conceptelor moderne, descărcarea arcului se menține datorită temperaturii ridicate a catodului datorită emisiei termoionice intense, precum și ionizării termice a moleculelor cauzate de temperatura ridicata gaz.
Descărcarea cu arc este utilizată pe scară largă în economia națională pentru sudarea și tăierea metalelor, producând oțeluri de înaltă calitate (cuptor cu arc), iluminat (reflectoare, echipamente de proiecție). Lămpile cu arc cu electrozi de mercur în cilindri de cuarț sunt de asemenea utilizate pe scară largă, unde se produce o descărcare de arc în vapori de mercur atunci când aerul este evacuat. Arcul care apare în vaporii de mercur este o sursă puternică de radiații ultraviolete și este folosit în medicină (de exemplu, lămpi de cuarț). Descărcarea arcului la presiuni joaseîn vapori de mercur este folosit în redresoare de mercur pentru a redresa curentul alternativ.
4. Descărcarea corona – o descărcare electrică de înaltă tensiune care are loc la presiune mare (de exemplu, atmosferică) într-un câmp neuniform (de exemplu, lângă electrozi cu o curbură mare a suprafeței, vârful unui electrod cu ac). Când intensitatea câmpului în apropierea vârfului ajunge la 30 kV/cm, în jurul acestuia apare o strălucire, având aspectul unei coroane, ceea ce dă naștere denumirii acestui tip de descărcare.
În funcție de semnul electrodului corona, se distinge o corona negativă sau pozitivă. În cazul unei coroane negative, nașterea electronilor, determinând ionizarea prin impact a moleculelor de gaz, are loc datorită emisiei lor din catod sub influența ionilor pozitivi, în cazul unei coroane pozitive, datorită ionizării gazului din apropiere. anodul. În condiții naturale, o coroană apare sub influența electricității atmosferice în vârful catargelor navelor sau al copacilor (acțiunea paratrăsnetului se bazează pe aceasta). Acest fenomen a fost numit în antichitate focurile Sfântului Elm. Efect nociv corona în jurul firelor liniilor de înaltă tensiune este apariția curenților de scurgere. Pentru a le reduce, firele liniilor de înaltă tensiune sunt făcute groase. Descărcarea corona, fiind intermitentă, devine și o sursă de interferențe radio.
Descărcarea corona este utilizată în precipitatoarele electrice utilizate pentru purificarea gazelor industriale de impurități. Gazul de purificat se deplasează de jos în sus într-un cilindru vertical, de-a lungul axei căruia se află un fir corona. Ioni prezenți în cantitati mariîn partea exterioară a coroanei, acestea se depun pe particule de impurități și sunt transportate de câmp către electrodul extern non-corona și se așează pe acesta. Descărcarea Corona este utilizată și la aplicarea vopselelor de pulbere și vopsea.
CÂMPUL ELECTROSTATIC
LINII ELECTRICE DE CÂMP
Conform conceptelor fizicii moderne, efectul unei sarcini asupra alteia se transmite prin câmp electrostatic - un mediu material special care se extinde la nesfârșit, pe care fiecare corp încărcat îl creează în jurul său. Câmpurile electrostatice nu pot fi detectate de simțurile umane. Cu toate acestea, o sarcină plasată într-un câmp este acționată de o forță direct proporțională cu mărimea acestei sarcini. Deoarece direcția forței depinde de semnul încărcăturii, am convenit să folosim așa-numitul taxa de testare q 0. Aceasta este o sarcină punctiformă pozitivă care este plasată în punctul câmpului electric care ne interesează. În consecință, ca caracteristică de forță a câmpului, este recomandabil să se folosească raportul forței la valoarea sarcinii de testare q 0:
Această mărime vectorială constantă pentru fiecare punct al câmpului egală cu forța care acționează asupra unei unități de sarcină pozitivă se numește tensiune . Pentru câmpul unei sarcini punctiforme q la o distanță r de aceasta:
, (4)
Direcția vectorului coincide cu direcția forței care acționează asupra sarcinii de testare. [E] = N/C sau V/m.
Într-un mediu dielectric, forța de interacțiune între sarcini și, prin urmare, intensitatea câmpului, scade de ε ori:
, . (5)
Când mai multe câmpuri electrostatice sunt suprapuse unul peste altul, puterea rezultată este determinată ca suma vectorială a intensităților fiecăruia dintre câmpuri (principiul suprapunerii):
Grafic, distribuția câmpului electric în spațiu este reprezentată folosind linii de înaltă tensiune . Aceste linii sunt trasate astfel încât tangentele la ele în orice punct să coincidă cu. Aceasta înseamnă că vectorul forței care acționează asupra sarcinii și, prin urmare, vectorul accelerației acesteia, se află și pe tangentele la liniile de forță, care nu se intersectează niciodată nicăieri. Liniile de câmp electrostatic nu pot fi închise. Ele încep cu sarcini pozitive și se termină cu sarcini negative sau merg la infinit.
O sarcină electrică plasată într-un anumit punct al spațiului modifică proprietățile spațiului respectiv. Adică, sarcina generează un câmp electric în jurul ei. Câmp electrostatic - un fel deosebit materie.
Câmpul electrostatic nu se modifică în timp.
Puterea caracteristică câmpului electric este intensitatea
Intensitatea câmpului electric într-un punct dat se numește vector cantitate fizica, egal numeric cu forța care acționează asupra unei unități de sarcină pozitivă plasată într-un punct dat din câmp.
Dacă o sarcină de încercare este acționată de forțe de la mai multe sarcini, atunci aceste forțe sunt independente conform principiului suprapunerii forțelor, iar rezultanta acestor forțe este egală cu suma vectorială a forțelor. Principiul suprapunerii (impoziției) câmpurilor electrice: Intensitatea câmpului electric al unui sistem de sarcini într-un punct dat din spațiu este egală cu suma vectorială a intensităților câmpului electric creat într-un punct dat din spațiu de fiecare sarcină a sistemului. separat:sau
Este convenabil să reprezentați grafic câmpul electric folosind linii de forță.
Liniile de forță (liniile de intensitate a câmpului electric) sunt linii ale căror tangente în fiecare punct al câmpului coincid cu direcția vectorului de intensitate într-un punct dat.
Liniile de forță încep cu o sarcină pozitivă și se termină cu o sarcină negativă (Liniile de câmp ale câmpurilor electrostatice ale sarcinilor punctiforme.).
Densitatea liniilor de tensiune caracterizează intensitatea câmpului (cu cât liniile sunt mai dense, cu atât câmpul este mai puternic).
Câmpul electrostatic al unei sarcini punctiforme este neuniform (câmpul este mai puternic mai aproape de sarcină).Liniile de forță ale câmpurilor electrostatice ale infinitelor plane încărcate uniform.
Câmpul electrostatic al planurilor infinite încărcate uniform este uniform. Un câmp electric a cărui putere este aceeași în toate punctele se numește uniform.
Liniile de câmp ale câmpurilor electrostatice a două sarcini punctiforme.
Potenţialul este energia caracteristică câmpului electric.
Potenţial- o mărime fizică scalară egală cu raportul dintre energia potențială deținută de o sarcină electrică într-un punct dat din câmpul electric și mărimea acestei sarcini.Potențialul arată ce energie potențială va avea o unitate de sarcină pozitivă plasată într-un punct dat din câmpul electric. φ = W/q
unde φ este potențialul într-un punct dat al câmpului, W este energia potențială a sarcinii într-un punct dat al câmpului.
Unitatea de măsură a potențialului în sistemul SI este [φ] = B(1V = 1J/C)
O unitate de potențial este considerată potențial într-un punct la care pentru a muta de la infinit o sarcină electrică de 1 C necesită muncă egală cu 1 J.
Având în vedere câmpul electric creat de un sistem de sarcini, ar trebui să se folosească principiul suprapunerii:
Potențialul câmpului electric al unui sistem de sarcini într-un punct dat din spațiu este egal cu suma algebrică a potențialelor câmpurilor electrice create într-un punct dat din spațiu de fiecare sarcină a sistemului separat:
Se numește o suprafață imaginară în toate punctele a cărei potențial ia aceleași valori suprafata echipotentiala. Când o sarcină electrică se deplasează dintr-un punct în punct de-a lungul unei suprafețe echipotențiale, energia ei nu se modifică. Se poate construi un număr infinit de suprafețe echipotențiale pentru un câmp electrostatic dat.
Vectorul de intensitate la fiecare punct de câmp este întotdeauna perpendicular pe suprafața echipotențială trasată printr-un punct de câmp dat.
Teorema Ostrogradsky–Gauss, pe care o vom demonstra și discuta mai târziu, stabilește legătura dintre sarcinile electrice și câmpul electric. Este o formulare mai generală și mai elegantă a legii lui Coulomb.
În principiu, puterea câmpului electrostatic creat de o distribuție dată de sarcină poate fi întotdeauna calculată folosind legea lui Coulomb. Câmpul electric total în orice punct este contribuția sumei vectoriale (integrale) a tuturor sarcinilor, adică
Cu toate acestea, cu excepția celor mai simple cazuri, calcularea acestei sume sau integrale este extrem de dificilă.
Aici vine în ajutor teorema Ostrogradsky-Gauss, cu ajutorul căreia este mult mai ușor de calculat intensitatea câmpului electric creat de o anumită distribuție a sarcinii.
Valoarea principală a teoremei Ostrogradsky-Gauss este că permite să înțeleagă mai profund natura câmpului electrostatic și să stabilească mai general legătura dintre sarcină și câmp.
Dar înainte de a trece la teorema Ostrogradsky-Gauss, este necesar să introducem următoarele concepte: linii de înaltă tensiune câmp electrostaticȘi fluxul vectorului de tensiune câmp electrostatic.
Pentru a descrie câmpul electric, trebuie să specificați vectorul de intensitate în fiecare punct al câmpului. Acest lucru se poate face analitic sau grafic. Pentru aceasta folosesc linii de înaltă tensiune– acestea sunt drepte, tangenta la care in orice punct al campului coincide cu directia vectorului intensitate(Fig. 2.1).
Orez. 2.1
Liniei de forță i se atribuie o anumită direcție - de la o sarcină pozitivă la o sarcină negativă sau la infinit.
Luați în considerare cazul câmp electric uniform.
Omogen numit câmp electrostatic, în toate punctele cărora intensitatea este aceeași ca mărime și direcție, adică Un câmp electrostatic uniform este reprezentat de linii de forță paralele la distanțe egale unele de altele (un astfel de câmp există, de exemplu, între plăcile unui condensator) (Fig. 2.2).
În cazul unei sarcini punctiforme, liniile de tensiune emană din sarcina pozitivă și merg la infinit; iar din infinit intră în sarcina negativa. Deoarece atunci densitatea liniilor de câmp este invers proporțională cu pătratul distanței de la sarcină. Deoarece suprafața sferei prin care trec aceste linii crește proporțional cu pătratul distanței, apoi numărul total liniile rămân constante la orice distanță de sarcină.
Pentru un sistem de sarcini, după cum vedem, liniile de forță sunt direcționate de la o sarcină pozitivă la una negativă (Fig. 2.2).
Orez. 2.2
Din figura 2.3 este, de asemenea, clar că densitatea liniilor de câmp poate servi ca un indicator al valorii.
Densitatea liniilor electrice ar trebui să fie astfel încât o singură zonă normală vectorului de tensiune să fie traversată de un astfel de număr de ele care să fie egal cu modulul vectorului de tensiune., adică
>>Fizica: linii de câmp electric. Puterea câmpului unei mingi încărcate
Câmpul electric nu afectează simțurile. Nu-l vedem.
Cu toate acestea, ne putem face o idee despre distribuția câmpului dacă desenăm vectorii intensității câmpului în mai multe puncte din spațiu ( Fig.14.9, stânga). Imaginea va fi mai clară dacă desenați linii continue, tangentele la care în fiecare punct prin care trec coincid în direcție cu vectorii de tensiune. Aceste linii sunt numite linii de câmp electric sau linii de tensiune (Fig.14.9, pe dreapta).
Direcția liniilor electrice vă permite să determinați direcția vectorului de tensiune în interior diverse puncte câmpuri, iar densitatea (numărul de linii pe unitate de suprafață) a liniilor de câmp arată unde intensitatea câmpului este mai mare. Deci, în figurile 14.10-14.13, densitatea liniilor de câmp în puncte A mai mult decât puncte ÎN. Evident, 
.
Nu ar trebui să credem că liniile de tensiune există de fapt ca fire elastice întinse sau snururi, așa cum a presupus însuși Faraday. Liniile de tensiune ajută doar la vizualizarea distribuției câmpului în spațiu. Ele nu sunt mai reale decât meridianele și paralelele de pe glob.
Cu toate acestea, liniile de câmp pot fi făcute vizibile. Dacă cristalele alungite ale unui izolator (de exemplu, chinină) sunt bine amestecate într-un lichid vâscos (de exemplu, ulei de ricin) și plasați corpuri încărcate acolo, apoi lângă aceste corpuri cristalele se vor alinia în lanțuri de-a lungul liniilor de tensiune.
Figurile prezintă exemple de linii de tensiune: o minge încărcată pozitiv (vezi. Fig.14.10); două bile încărcate diferit (vezi. Fig.14.11); două bile încărcate similar (vezi. Fig.14.12); două plăci ale căror sarcini sunt egale ca mărime și opuse ca semn (vezi. Fig.14.13). Ultimul exemplu este mai ales în figura 14.13 că în spațiul dintre plăci mai aproape de mijloc liniile de forță sunt paralele: câmpul electric aici este același în toate punctele.
Se numește un câmp electric a cărui putere este aceeași în toate punctele spațiului omogen. Într-o regiune limitată a spațiului, câmpul electric poate fi considerat aproximativ uniform dacă intensitatea câmpului din această regiune se modifică ușor.
Un câmp electric uniform este reprezentat de linii paralele situate la distanțe egale unele de altele.
Liniile de câmp electric nu sunt închise; ele încep pe sarcini pozitive și se termină pe cele negative. Liniile de forță sunt continue și nu se intersectează, deoarece intersecția ar însemna absența unei direcții specifice a intensității câmpului electric într-un punct dat.
Câmpul unei mingi încărcate. Să luăm acum în considerare problema câmpului electric al unei bile conducătoare încărcate cu o rază R. Încărca q distribuite uniform pe suprafața mingii. Liniile de câmp electric, după cum rezultă din considerațiile de simetrie, sunt direcționate de-a lungul prelungirilor razelor bilei ( Fig. 14.14, a).
Notă! Putere liniile din afara mingii sunt distribuite în spațiu exact în același mod ca liniile de câmp ale unei sarcini punctiforme ( Fig.14.14, b). Dacă modelele liniilor de câmp coincid, atunci ne putem aștepta ca și intensitățile câmpului să coincidă. Prin urmare, la distanță r>R din centrul mingii, intensitatea câmpului este determinată prin aceeași formulă (14.9) ca și intensitatea câmpului unei sarcini punctiforme plasate în centrul sferei:
Imaginea liniilor de forță arată clar direcția intensității câmpului electric în diferite puncte din spațiu. Prin modificarea densității liniilor, se poate aprecia modificarea modulului intensității câmpului atunci când se deplasează de la un punct la altul.
???
1. Cum se numesc liniile de câmp electric?
2. În toate cazurile, traiectoria unei particule încărcate coincide cu linia câmpului?
3. Se pot intersecta linii de forță?
4. Care este puterea câmpului unei mingi conducătoare încărcate?
G.Ya.Myakishev, B.B.Bukhovtsev, N.N.Sotsky, Fizica clasa a X-a
Conținutul lecției notele de lecție sprijinirea metodelor de accelerare a prezentării lecției cadru tehnologii interactive Practică sarcini și exerciții ateliere de autotestare, instruiri, cazuri, întrebări teme pentru acasă întrebări de discuție întrebări retorice de la elevi Ilustrații audio, clipuri video și multimedia fotografii, imagini, grafice, tabele, diagrame, umor, anecdote, glume, benzi desenate, pilde, proverbe, cuvinte încrucișate, citate Suplimente rezumate articole trucuri pentru pătuțurile curioși manuale dicționar de bază și suplimentar de termeni altele Îmbunătățirea manualelor și lecțiilorcorectarea erorilor din manual actualizarea unui fragment dintr-un manual, elemente de inovație în lecție, înlocuirea cunoștințelor învechite cu altele noi Doar pentru profesori lecții perfecte plan calendaristic pentru anul; recomandări metodologice; programe de discuții Lecții integrateDacă aveți corecții sau sugestii pentru această lecție,
În spațiul care înconjoară sarcina care este sursa, cantitatea acestei sarcini este direct proporțională cu pătratul, iar distanța de la această sarcină este invers proporțională cu pătratul. Direcția câmpului electric, conform regulilor acceptate, este întotdeauna de la sarcina pozitivă spre sarcina negativă. Acest lucru poate fi imaginat ca și cum ați plasa o sarcină de testare într-o regiune a spațiului câmpului electric al sursei și această sarcină de testare fie va respinge, fie va atrage (în funcție de semnul sarcinii). Câmpul electric se caracterizează prin intensitate, care, fiind o mărime vectorială, poate fi reprezentată grafic ca o săgeată cu lungime și direcție. În orice locație, direcția săgeții indică direcția intensității câmpului electric E, sau pur și simplu - direcția câmpului, iar lungimea săgeții este proporțională cu valoarea numerică a intensității câmpului electric în acest loc. Cu cât regiunea spațiului este mai departe de sursa câmpului (încărcare Q), cu atât lungimea vectorului de tensiune este mai mică. Mai mult, lungimea vectorului scade pe măsură ce se îndepărtează n ori dintr-un loc în n 2 ori, adică invers proporțional cu pătratul.
Un mijloc mai util de a reprezenta vizual natura vectorială a câmpului electric este utilizarea unui astfel de concept ca, sau pur și simplu - linii de forță. În loc să desenați nenumărate săgeți vectoriale în spațiul care înconjoară sarcina sursă, sa dovedit util să le combinați în linii, unde vectorii înșiși sunt tangenți la punctele de pe astfel de linii.
Ca rezultat, ele sunt utilizate cu succes pentru a reprezenta imaginea vectorială a câmpului electric. linii de câmp electric, care ies din sarcini de semn pozitiv și intră sarcini de semn negativ și, de asemenea, se extind la infinit în spațiu. Această reprezentare vă permite să vedeți cu mintea un câmp electric invizibil pentru ochiul uman. Cu toate acestea, această reprezentare este convenabilă și pentru forțele gravitaționale și orice alte interacțiuni fără contact la distanță lungă.
Modelul liniilor de câmp electric include un număr infinit de acestea, dar o densitate prea mare a liniilor de câmp reduce capacitatea de a citi modelele de câmp, astfel încât numărul lor este limitat de lizibilitate.
Reguli pentru trasarea liniilor de câmp electric
Există multe reguli pentru realizarea unor astfel de modele de linii electrice. Toate aceste reguli au fost create pentru a oferi cel mai mare conținut informațional la vizualizarea (desenarea) câmpului electric. O modalitate este reprezentarea liniilor de câmp. Una dintre cele mai comune metode este de a înconjura obiecte mai încărcate cu mai multe linii, adică cu o densitate mai mare a liniilor. Obiectele cu sarcină mai mare creează câmpuri electrice mai puternice și, prin urmare, densitatea (densitatea) liniilor din jurul lor este mai mare. Cu cât sursa este mai aproape de sarcină, cu atât densitatea liniilor de forță este mai mare și cu cât este mai mare magnitudinea sarcinii, cu atât liniile din jurul acesteia sunt mai dense.
A doua regulă pentru trasarea liniilor de câmp electric implică trasarea unui alt tip de linie, una care intersectează primele linii de câmp perpendicular. Acest tip de linie se numește linii echipotenţiale, iar în reprezentarea volumetrică ar trebui să vorbim despre suprafețe echipotențiale. Acest tip de linie formează contururi închise și fiecare punct de pe o astfel de linie echipotențială are aceeași valoare de potențial de câmp. Când orice particulă încărcată traversează o astfel de perpendiculară linii de înaltă tensiune linie (suprafață), apoi vorbesc despre munca efectuată de încărcare. Dacă sarcina se mișcă de-a lungul liniilor echipotențiale (suprafețe), atunci, deși se mișcă, nu se lucrează. O particulă încărcată, o dată în câmpul electric al altei sarcini, începe să se miște, dar în electricitatea statică sunt luate în considerare doar sarcinile staționare. Mișcarea sarcinilor se numește curent electric, iar munca poate fi efectuată de purtătorul de sarcină.
Este important să ne amintim asta linii de câmp electric nu se intersectează, iar liniile de alt tip - echipotenţiale, formează contururi închise. În punctul în care două tipuri de drepte se intersectează, tangentele la aceste drepte sunt reciproc perpendiculare. Astfel, obținem ceva de genul unei rețele de coordonate curbe, sau rețea, ale cărei celule, precum și punctele de intersecție ale liniilor de diferite tipuri, caracterizează câmpul electric.
Liniile întrerupte sunt echipotenţiale. Linii cu săgeți - linii de câmp electric
Câmp electric format din două sau mai multe sarcini
Pentru acuzații individuale solitare linii de câmp electric reprezinta razele radiale lăsând încărcături și mergând la infinit. Care va fi configurația liniilor de câmp pentru două sau mai multe taxe? Pentru a realiza un astfel de model, este necesar să ne amintim că avem de-a face cu un câmp vectorial, adică cu vectori de intensitate a câmpului electric. Pentru a descrie modelul câmpului, trebuie să adăugăm vectorii de tensiune de la două sau mai multe sarcini. Vectorii rezultați vor reprezenta câmpul total al mai multor sarcini. Cum pot fi construite linii de câmp în acest caz? Este important să ne amintim că fiecare punct de pe o linie de câmp este un singur punct contactul cu vectorul intensității câmpului electric. Aceasta rezultă din definiția unei tangente în geometrie. Dacă de la începutul fiecărui vector construim o perpendiculară sub formă de linii lungi, atunci intersecția reciprocă a multor astfel de linii va reprezenta linia de forță foarte căutată.
Pentru o reprezentare matematică algebrică mai precisă a liniilor de forță, este necesar să se întocmească ecuații ale liniilor de forță, iar vectorii în acest caz vor reprezenta derivatele întâi, drepte de ordinul întâi, care sunt tangente. Această sarcină este uneori extrem de complexă și necesită calcule computerizate.
În primul rând, este important de reținut că câmpul electric de la multe sarcini este reprezentat de suma vectorilor de intensitate de la fiecare sursă de sarcină. Acest baza sa realizeze constructia liniilor de camp in vederea vizualizarii campului electric.
Fiecare sarcină introdusă în câmpul electric duce la o schimbare, chiar ușoară, a modelului liniilor de câmp. Astfel de imagini sunt uneori foarte atractive.
Liniile de câmp electric ca o modalitate de a ajuta mintea să vadă realitatea
Conceptul de câmp electric a apărut atunci când oamenii de știință au încercat să explice interacțiunea pe distanță lungă care are loc între obiectele încărcate. Conceptul de câmp electric a fost introdus pentru prima dată de către fizicianul din secolul al XIX-lea Michael Faraday. Acesta a fost rezultatul percepției lui Michael Faraday realitate invizibilă sub forma unei imagini a liniilor de câmp care caracterizează acțiunea pe distanță lungă. Faraday nu a gândit în cadrul unei singure sarcini, ci a mers mai departe și și-a extins limitele minții. El a propus că un obiect încărcat (sau masă în cazul gravitației) influențează spațiul și a introdus conceptul de câmp de astfel de influență. Examinând astfel de câmpuri, el a putut explica comportamentul sarcinilor și, prin urmare, a dezvăluit multe dintre secretele electricității.
