О. Г. Бобрович, В. В. Тульев
ФИЗИКА
В 5-ти частях Часть 2
ЭЛЕКТРОСТАТИКА. ПОСТОЯННЫЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК
Тексты лекций по дисциплине «Физика»
для студентов специальности 1-48 01 02 «Химическая технология органических веществ, материалов и изделий»
Минск 2011
УДК [537.2+537.3](075.8) ББК 22.33я73
Б72
Рассмотрены и рекомендованы к изданию редакционно-издатель-ским советом университета
Рецензенты:
доктор физико-математических наук, профессор, заведующий кафедрой экспериментальной физики БГПУ им. Максима Танка
И. С. Ташлыков;
доктор физико-математических наук, профессор, заведующий кафедрой теоретической механики БНТУ А. В. Чигарев
Бобрович, О. Г.
Б72 Физика. В 5 ч. Ч. 2. Электростатика. Постоянный электриче-ский ток: тексты лекций по дисциплине «Физика» для студентов специальности 1-48 01 02 «Химическая технология органических веществ, материалов и изделий» / О. Г. Бобрович, В. В. Тульев. −
Минск: БГТУ, 2011. – 93 c.
В пособии кратко изложен материал лекций по разделам «Электроста-тика» и «Постоянный электрический ток» для студентов специальности 1-48 01 02 «Химическая технология органических веществ, материалов и изделий» дневной формы обучения.
Пособие предназначено для организации самостоятельной и аудитор-ной работы на лекционных, практических и лабораторных занятиях по дис-циплине «Физика».
УДК [537.2+537.3](075.8) ББК 22.33я73
© УО «Белорусский государственный технологический университет», 2011
© Бобрович О. Г., Тульев В. В., 2011
Тема 1. ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ В ВАКУУМЕ
Лекция № 1
1.1.Электрический заряд. Свойства электрического заряда. Закон со-хранения электрического заряда.
1.2. Закон Кулона.
1.3. Электростатическое поле. Напряженность электростатиче-ского поля. Силовые линии. Принцип суперпозиции электростатиче-ских полей.
Электрический заряд. Свойства электрического заряда. Закон сохранения электрического заряда.
Электрический заряд –это физическая величина,являющаяся ко-личественной мерой электромагнитных взаимодействий.
Единица измерения электрического заряда в системе СИ [ q ] =
= 1 Кл (кулон).
Электрические заряды обладают следующими свойствами:
1. Существуют только два вида заряда: отрицательные и поло-
жительные.
Опыты, проведенные еще в самом начале XVIII в., показали, что электризация бывает двух и только двух родов: электризация, совпадающая по качеству с электризацией стекла, потертого о кожу (называется положительной), и электризация, совпадающая по ка-честву с электризацией кожи, потертой стеклом (называется отри-
цательной).
2. Одноименные заряды отталкиваются, разноименные заряды
притягиваются.
3. Существует элементарный заряд e = 1,6 · 10–19 Кл. Носителями элементарных зарядов являются электроны (– е) и протоны (+ е). У лю-бого заряженного тела заряд по величине не может быть меньше эле-ментарного.
4. Электрический заряд дискретен, т. е. электрический заряд лю-бого тела состоит из целого числа положительных и отрицательных элементарных зарядов:
| q = N + e + N – e, | (1.1.1) |
где N + и N – – целые числа, равные соответственно количеству положи-тельных и отрицательных элементарных зарядов. Это свойство опыт-ным путем доказал американский физик Роберт Милликен.
5. Электрический заряд инвариантен, т. е. значение электрическо-го заряда не зависит от скорости его движения. Так как скорость дви-жения зависит от выбора системы отсчета, то можно сказать: значение электрического заряда не изменяется при переходе от одной инерци-альной системы отсчета к другой.
Из обобщения опытных данных был установлен фундаменталь-ный закон природы – закон сохранения заряда: заряды не создаются и не пропадают, они могут лишь перемещаться внутри тела или от од-ного тела к другому. Другая формулировка закона сохранения заряда: алгебраическая сумма зарядов тел и частиц, образующих электриче-ски изолированную систему, не изменяется при любых процессах, происходящих в этой системе:
| n | |
| q 1 q 2 q 3... qnqi const. | (1.1.2) |
i 1
Под электрически изолированной системой понимают такую сис-
тему, из которой не забирают и в которую не вносят электрические заряды.
Под точечными зарядами подразумеваются такие заряженные тела, размеры которых малы по сравнению с расстоянием между ними. Если заряженное тело нельзя назвать точечным, то вводят понятие распределенного заряда. Для характеристики распределен-ного заряда используют следующие величины:
– если заряд распределен по объему V тела, то для его характери-стики используют объемную плотность заряда:
| dq | dq dV qdV. | (1.1.3) | ||
| dV | ||||
| V |
Единица измерения объемной плотности заряда в системе СИ
[ ] = 1 Кл/м3;
– если заряд распределен по поверхности тела площадью S, то для его характеристики используют поверхностную плотность заряда:
| dq | dq dS qdS. | (1.1.4) | ||
| dS | ||||
| S |
Единица измерения поверхностной плотности заряда в системе СИ
[ ] = 1 Кл/м2;
– если заряд распределен по длине l тела, то для его характери-стики используют линейную плотность заряда:
| dq | dq dl qdl. | (1.1.5) | ||
| dl | ||||
| l |
Единица измерения линейной плотности заряда в системе СИ
[ ] = 1 Кл/м.
Закон Кулона.
Опыты показали, что взаимодействие заряженных тел зависит от их формы и размеров. Поэтому для установления закона взаимо-действия между заряженными телами сначала рассматривают то-чечные заряды.
Закон взаимодействия двух точечных зарядов был эксперимен-тально установлен французским физиком Шарлем Огюстеном Ку-лоном в 1785 г. на основании измерений, произведенных с помо-щью крутильных весов.
В результате своих опытов Ш. Кулон пришел к выводу, что сила взаимодействия двух неподвижных точечных зарядов про-порциональна величине каждого из зарядов и обратно пропорцио-нальна квадрату расстояния между ними. Направление силы сов-падает с прямой, соединяющей взаимодействующие заряды
(рис. 1.2.1).
| F 21 | ||
| F 12 | ||
| q 1 | q 2 |
Рис. 1.2.1
Закон Кулона определяется формулой
| q | q | |||||||||||||
| F | , | (1.2.1) | ||||||||||||
| 4 0 | r 2 | |||||||||||||
где 0 = 8,85 · 10–12 Ф/ м – электрическая постоянная; | q 1|, | q 2| – модули точечных зарядов; r – расстояние между ними.
В векторном виде закон Кулона определяется формулой
| q q | q q | |||||||||||||||||
| F | 1 2 | r | , | или | F | 1 2 | r | , | (1.2.2) | |||||||||
| 4 0 | r 3 | 4 0 | r 3 | |||||||||||||||
| – радиусы-векторы, соединяющие заряды 2 и 1 или 1 и 2 | ||||||||||||||||||
| где r 12 | и r 21 | |||||||||||||||||
| (рис. 1.2.2). |
| r 21 | F | |
| q 1 | q 2 | |
| r 12 | ||
| F | ||
| q 1 | q 2 |
Рис. 1.2.2
Закон Кулона справедлив также для заряженных тел сферической формы, заряды которых распределены равномерно по объему или по поверхности этих тел.
