Презентация по физике «Электростатическое поле»

Слайд 1

Электростатическое поле Выполнил ученик 11 класса Маринин Сергей

Слайд 2

Электростатическое поле Электростатическое поле — поле , созданное неподвижными в пространстве и неизменными во времени электрическими зарядами (при отсутствии электрических токов ). Физическое поле представляется некоторой динамической физической величиной (называемой полевой переменной ), определенной во всех точках пространства (и принимающей вообще говоря разные значения в разных точках пространства, к тому же меняющейся со временем).

Слайд 3

Электрическое поле представляет собой особый вид материи , связанный с электрическими зарядами и передающий действия зарядов друг на друга. Если в пространстве имеется система заряженных тел, то в каждой точке этого пространства существует силовое электрическое поле. Оно определяется через силу, действующую на пробный заряд, помещённый в это поле. Пробный заряд должен быть малым, чтобы не повлиять на характеристику электростатического поля.

Слайд 4

Электри́ческий заря́д — это физическая скалярная величина , определяющая способность тел быть источником электромагнитных полей и принимать участие в электромагнитном взаимодействии . Впервые электрический заряд был введён в законе Кулона в 1785 году . Взаимодействие зарядов. Самое простое и повседневное явление, в котором обнаруживается факт существования в природе электрических зарядов, — это электризация тел при соприкосновении.

Слайд 5

Статическое электричество в быту Статическое электричество широко распространено в обыденной жизни. Если, например, на полу лежит ковер из шерсти , то при трении об него человеческое тело может получить электрический заряд минус, а ковер получит заряд плюс. Другим примером может служить электризация пластиковой расчески , которая после причесывания получает минус заряд, а волосы получают плюс заряд. Накопителем минус-заряда зачастую являются полиэтиленовые пакеты , полистироловый пенопласт . Накопителем плюс-заряда зачастую является сухая полиуретановая монтажная пена , если её сжать рукой. Когда человек, тело которого наэлектризовано, дотрагивается до металлического предмета, например трубы отопления или холодильника, накопленный заряд моментально разрядится, а человек получит легкий удар током.

Слайд 6

Электростатический разряд происходит при очень высоком напряжении и чрезвычайно низких токах . Даже простое расчесывание волос в сухой день может привести к накоплению статического заряда с напряжением в десятки тысяч вольт , однако ток его освобождения будет настолько мал, что его зачастую невозможно будет даже почувствовать. Именно низкие значения тока не дают статическому заряду нанести человеку вред, когда происходит мгновенный разряд . С другой стороны, такие напряжения могут быть опасны для элементов различных электронных приборов — микропроцессоров , транзисторов и т. п. Поэтому при работе с радиоэлектронными компонентами рекомендуется принимать меры по предотвращению накопления статического заряда.

Слайд 7

Молнии Мо́лния — гигантский электрический искровой разряд в атмосфере , обычно может происходить во время грозы , проявляющийся яркой вспышкой света и сопровождающим её громом .

Слайд 8

Молнии также были зафиксированы на Венере , Юпитере , Сатурне и Уране и др. Ток в разряде молнии достигает 10—100 тысяч ампер, напряжение — миллионов вольт (иногда достигает 50 млн. вольт), тем не менее, погибает после удара молнией лишь 10,2 % людей.

Слайд 9

Электромагнитное поле. Электромагни́тное по́ле — фундаментальное физическое поле , взаимодействующее с электрически заряженными телами, а также с телами, имеющими собственные дипольные и мультипольные электрические и магнитные моменты. Представляет собой совокупность электрического и магнитного полей , которые могут, при определённых условиях, порождать друг друга, а по сути являются одной сущностью, формализуемой через тензор электромагнитного поля .

Слайд 10

Тензор электромагнитного поля — это антисимметричный , дважды ковариантный тензор , являющийся обобщением напряжённости электрического и индукции магнитного поля для произвольных преобразований координат. Он используется для инвариантной формулировки уравнений электродинамики , в частности, с его помощью можно легко обобщить электродинамику на случай наличия гравитационного поля .

Слайд 11

Напряженность. Напряжённость электри́ческого по́ля — векторная физическая величина, характеризующая электрическое поле в данной точке и численно равная отношению силы действующей на неподвижный пробный заряд , помещенный в данную точку поля, к величине этого заряда.

Слайд 12

Магни́тная инду́кция — векторная величина, являющаяся силовой характеристикой магнитного поля (его действия на заряженные частицы) в данной точке пространства. Определяет, с какой силой магнитное поле действует на заряд , движущийся со скоростью . Более конкретно, — это такой вектор, что сила Лоренца , действующая со стороны магнитного поля на заряд , движущийся со скоростью , равна

Слайд 13

Лоренц. Сила Лоренца — сила , с которой, в рамках классической физики , электромагнитное поле действует на точечную заряженную частицу . Иногда силой Лоренца называют силу, действующую на движущийся со скоростью заряд лишь со стороны магнитного поля , нередко же полную силу — со стороны электромагнитного поля вообще, иначе говоря, со стороны электрического и магнитного полей .

Слайд 14

Великий ученый. Ко́нрад Цахариас Ло́ренц ( нем. Konrad Zacharias Lorenz ; 7 ноября 1903 , Вена — 27 февраля 1989 , Вена ) — выдающийся австрийский учёный, один из основоположников этологии — науки о поведении животных, лауреат Нобелевской премии по физиологии и медицине ( 1973 , совместно с Карлом фон Фришем и Николасом Тинбергеном ).

Слайд 15

Конрад Цахариас Лоренц нем . Konrad Zacharias Lorenz Дата рождения : 7 ноября 1903 Место рождения: Вена , Австро-Венгрия Дата смерти: 27 февраля 1989 (85 лет) Место смерти: Вена , Австрия Страна: Австрия Научная сфера: этология , философия Награды и премии Нобелевская премия по физиологии и медицине ( 1973 )

Слайд 16

Электрический потенциал. Электростатический потенциа́л (см. также кулоновский потенциал ) — скалярная энергетическая характеристика электростатического поля , характеризующая потенциальную энергию поля, которой обладает единичный заряд , помещённый в данную точку поля . Электростатический потенциал равен отношению потенциальной энергии взаимодействия заряда с полем к величине этого заряда:

Слайд 17

Силовые линии поля.(Свойства) Всегда незамкнуты: начинаются на положительных и заканчиваются на отрицательных зарядах. Не пересекаются. Густота линий тем больше, чем больше напряженность, то есть напряженность поля прямо пропорциональна количеству силовых линий, проходящих через единицу площади поверхности.

Слайд 18

Магнитное поле. Магни́тное по́ле — силовое поле, действующее на движущиеся электрические заряды и на тела, обладающие магнитным моментом , независимо от состояния их движения, магнитная составляющая электромагнитного поля . Магнитное поле может создаваться током заряженных частиц и/или магнитными моментами электронов в атомах (и магнитными моментами других частиц, хотя в заметно меньшей степени) ( постоянные магниты ).

Слайд 19

Электрический ток , проходя по проводнику, создаёт магнитное поле (B) вокруг проводника.

Слайд 20

Источники магнитного поля Магнитное поле создаётся (порождается) током заряженных частиц , или изменяющимся во времени электрическим полем , или собственными магнитными моментами частиц (последние для единообразия картины могут быть формальным образом сведены к электрическим токам).

§8.Электростатическое поле при наличии проводников

Дифференциальная форма закона Ома.

Проводниками называются материальные тела, при внесении которых в электрическое поле в них возникает движение зарядов — электрический ток. Закон, связывающий силу тока, текущего по проводнику с разностью потенциалов (напряжением на его концах), был открыт экспериментально Г. С. Омом (1787-1854) в 1827г. и имеет вид

, (8.1)

Где R-сопротивление проводника. Закон Ома в дифференциальной форме получается в результате записи соотношения (8. 1) для плотности тока .

Рассмотрим бесконечно малый элемент проводника цилиндрической формы длины

, с сечением , на концах которого приложена разность потенциалов .

Пусть

– удельная электрическая проводимость вещества, которая является величиной, обратной удельному электрическому сопротивлению. Тогда выражение для можно записать в виде:

(8.2)

, (8.3)

Где индекс

означает, что берется составляющая вдоль элемента проводника. Закон Ома для этого элемента записывается так:

.

Полученное соотношение в векторной форме – и есть дифференциальная формулировка закона Ома.

(8.4)

Классификация материалов по способности проводить электрический ток.

Удельная электрическая проводимость

зависит от свойств материала. По ее значению все материалы делят на три класса: диэлектрики, полупроводники и проводники. Итак:

А) диэлектрики – вещества с малым значением электрической проводимости.

Идеальный диэлектрик характеризуется отсутствием проводимости. Однако это может осуществляться лишь при 0 К. При температуре, отличной от 0 К, все материалы обладают определенной проводимостью и, следовательно, идеальных диэлектриков нет; диэлектриком принято называть материал, удельная электрическая проводимость которого

<(Ом-1.м-1)

Б) полупроводники

<<(Ом-1.м-1)

В) проводники

>(Ом-1.м-1). В основном это металлы.

Наиболее хорошими проводниками являются медь и серебро, у которых

(Ом-1.м-1).

Отсутствие электрического поля внутри проводника.

В электростатике рассматривается случай неподвижных зарядов, когда

. Из (8.4) следует, что , т. е. внутри проводника при электростатическом равновесии электрическое поле отсутствует.

Отсутствие в проводнике объемных зарядов.

Из уравнения

при следует . Это значит, что внутри проводника отсутствуют объемные заряды. Это означает, что заряд проводника концентрируется на его поверхности в слое атомарной толщины. Естественно, внутри проводника имеется как положительные, так и отрицательные заряды. Но они взаимно компенсируются и в целом внутренние области проводника нейтральны.

Установление нейтральности происходит очень быстро. Предположим, в момент t=0 у нас

. Тогда используя уравнение непрерывности (3.3) С учетом (8.4) получим:

=> => . (8.5)

Введем

— время установления нейтральности. Тогда решение уравнения (8.5) имеет вид

(8. 6)

Из (8.6) следует, что объемная плотность зарядов уменьшается экспоненциально. Например, для меди (

Ом-1.м-1) время установления Такой промежуток времени чрезвычайно мал даже в масштабах внутриатомных процессов. Поэтому в нестационарных ситуациях, когда поля изменяются со временем, при не слишком больших частотах с большой точностью можно считать, что в проводнике свободные заряды распределены по поверхности, а объемные заряды отсутствуют. Данное заключение остается справедливым также при учете зависимости проводимости от частоты, хотя при этом получается увеличение времени релаксации на несколько порядков.

Электрическая индукция.

Если нейтральный проводник внести во внешнее электрическое поле, то поверхностные заряды на нем перераспределяются, так что создаваемое ими внутри проводника поле полностью компенсирует внешнее поле, в результате чего суммарная напряженность электрического поля внутри проводника равна нулю.

Явление перераспределения поверхностных зарядов на проводнике при его помещении во внешнее электрическое поле называется электрической индукцией. Если проводник заряжен, то под влиянием внешнего поля происходит также перераспределение заряда проводника.

Поле вблизи поверхности проводника.

Выделим на поверхности проводника элемент поверхности и построим цилиндр высотой . Применим к этому цилиндру теорему Гаусса:

,где — поверхность цилиндра, — заряд в объеме цилиндра. Но внутри цилиндра заряд имеется только на поверхности проводника и характеризуется поверхностной плотностью , т. е. . Внутри проводника , а значит поток через часть поверхности, находящейся в объеме цилиндра равен нулю. Остается отличным от нуля лишь поток через основание цилиндра и через боковую поверхность находящегося вне проводника. Но в пределе высоту Цилиндра можно взять сколь угодно малой (), а значит и поток вектора через будет стремиться к нулю. Поэтому остается отличным от нуля лишь поток вектора через основание цилиндра:

, где — нормальная компонента . Тогда

(8.7)

Таким образом у поверхности проводника, заряженного с поверхностной плотностью , нормальная составляющая поля определяется (8.7), т. е. поверхностной плотностью зарядов. Найдем тангенциальную составляющую поля, т. е. составляющую, направленную вдоль поверхности.

Рассмотрим замкнутый контур L, пересекающий поверхность проводника, верхняя часть которого идет параллельно поверхности вне проводника, а внутренняя часть – внутри проводника.

Будем перемещать по этому контуру некоторый заряд. В следствии потенциальности электрического поля работа по перемещению заряда по этому контуру будет равна 0, т. е.

. Можно сжать контур, чтобы участки 1-4 и 2-3 стремились к нулю, тогда , и мы получаем , но внутри проводника поля нет, поэтому , а значит

, (8. 6)

Т. е. тангенциальная составляющая напряженности поля у поверхности проводника равна нулю. В образовании нормальной составляющей напряженности поля в данной точке у поверхности проводника участвуют заряды, находящиеся в некоторой элементарной площадке.

, которые создают поле , и все остальные заряды проводника, которые создают . Внутри проводника поле равно нулю, значит : откуда следует, что .

Следовательно

(8.7)

Таким образом, напряженность поля вблизи поверхности проводника состоит из двух равных частей: одна часть создается поверхностными зарядами, прилегающего элемента поверхности, а другая – всеми остальными зарядами, лежащими вне этого элемента поверхности.

Отметим, что (8.7) определяет поле заряженной плоскости.

Экранирование. Металлический экран.

Механизм уничтожения поля внутри проводника распределением зарядов на его поверхности показывает, что внутренние части проводника к нему не имеют никакого отношения, а, значит, их можно удалить. В этом случае мы получаем пространство, окруженное оболочкой проводника и электрическое поле внутри оболочки равно нулю. Такая замкнутая оболочка называется экраном. Она экранирует внутренне пространство от внешних электрических полей. Экран используется для защиты технических устройств от влияния внешних полей. В целях экономии материала и уменьшения веса используются металлические сетки с мелкими ячейками. Если взять сферическую оболочку и внутри расположить положительный заряд, поле внутри оболочки E=0. Но если эту оболочку заземлить, то все заряды из внешней части уйдут на бесконечность, т. е. в землю и оболочка будет экранировать внешнее пространство от полей, находящихся внутри оболочки.

Потенциал проводника.

Разность потенциалов между двумя точками

. Если эти точки принадлежат проводнику, то из условия E=0 внутри проводника следует, что => и ,т. е. потенциал во всех точках проводника одинаков, и можно говорить о потенциале проводника, т. е. проводник есть эквипотенциальное тело – тело, с одинаковыми потенциалами во всех точках. Потенциал проводника вычисляется по формуле

. (8.9)

Что такое электростатическое поле? – Определение TechTarget

От

• Роберт Шелдон