Электростатика

Атомная электростатика

Закон Кулона

Фундаментальный закон электрического взаимодействия точечных зарядов сформулировал в 1785 г. французский физик Шарль Кулон: модуль каждой из сил взаимодействия двух точечных зарядов прямо пропорциональный числовым значением зарядов и обратно пропорциональный квадрату расстояния между ними.

Взаимодействие в вакууме (или в воздухе) точечных зарядов (то есть заряженных материальных точек) описывается формулой . Коэффициент k зависит от выбора системы единиц, в CИ. Часто делают замену.

Величина (или ) называется электрической постоянной.

Напряженность электрического поля

Электрическое поле имеет свойство действовать на заряженные тела, потому в любой точке его можно исследовать с помощью "пробного заряда" - точечного позитивного заряда, значительно меньше заряда, который создает исследуемое поле.

Отношение силы, с которой полет в данной точке действует на пробный заряд, к значению этого заряда называется напряженностью электрического поля в данной точке.

Вмещая пробный заряд в разные точки поля, проводят линии напряженности. Если они прямые, то вектор направлен вдоль них, а если кривые - вдоль касательных к ним. Густота линий напряженности численно равняется (или пропорциональная) значению напряженности.

Линии напряженности электростатического поля (силовые линии) незамкнуты: начинаются на позитивных зарядах, а заканчиваются на негативных; они непрерывны и не пересекаются.

Природная электростатика

Напряженность поля точечного заряда.

Электрическое поле между двумя параллельными разноименно заряженными пластинами, а также поле плоского конденсатора однородные, то есть напряженность каждого из этих полей в любой точке одинаковая и численно, и за направлением.
Признаком однородности поля является параллельность его силовых линий.

Проводники в электрическом поле

Типичными проводниками являются металлы - вещества, которые содержат "свободные" электроны. Если металл внести в электрическое поле напряженностью, то будет происходить смещение электронов. Образуются излишек негативного заряда на одной части тела и излишек заряда позитивных ионов - на противоположной (позитивный ион - это атом, который потерял электроны). "Свободных" электронов в металле так много, что напряженность поля, создаваемого поверхностными зарядами проводника, численно равняется значению напряженности ; направления этих напряженностей противоположны.

Внутри металла электрическое поле отсутствует (в результате экранирующего действия приведенных внешним полем зарядов на поверхности металла). Это обстоятельство положено в основу электростатической защиты чувствительных электроизмерительных приборов и другой аппаратуры от внешних электрических полей. Для этого их окружают густой металлической сеткой.

Диэлектрика в электрическом поле. Диэлектрическая проницаемость

В диэлектрике нет "свободных" электронов, потому они не проводят ток.

Есть два основных типа диэлектриков.

1) Полярная диэлектрика состоит из полярных молекул, диполей, то есть "сдвоенных электрических полюсов", которые при отсутствии внешнего поля расположены хаотически. Примеры: дистиллированная вода, каменная соль.

2) Неполярная диэлектрика состоят из нейтральных молекул.

Внешнее поле делает ориентирующее действие на диполе в полярном диэлектрике.

Под действием внешнего поля позитивные заряды в молекуле вещества сдвигаются в одну сторону, электроны - в другой. Деформирующее действие поля превращает молекулы неполярного диэлектрика на диполе.

Процессы реагирования диэлектриков на внешнее электрическое поле называются поляризацией диэлектрика. Внутри диэлектрика, вмещенного в электрическое поле напряженностью, оказывается электрическое поле. Его напряженность, где - напряженность поляризационных зарядов.

Физическая величина, которая характеризует ослабление поля в диэлектрике в сравнении с внешним полем, называется діелектричноюпроникністю, ;, лишь для вакуума и воздуха.

Электростатика

Потенциал. Разница потенциалов. Напряжение. Связь между напряжением и напряженностью.

Потенциал некоторой точки электростатического поля (то есть поля, созданного неподвижным зарядом) - это энергетическая характеристика, характеристика "работоспособности" поля.
Потенциал численно равняется значению потенциальной энергии единичного пробного заряда в данной точке поля.

Пусть в точках поля 1 и 2 потенциала равняются соответственно и . Разница потенциалов этих точек (напряжение U между ними), то есть напряжение между точками 1 и 2 численно равняется работе электростатического поля из перенесения единичного пробного заряда из точки 1 в точку 2.

Между модулем напряженности и разницей потенциалов (или напряжением) существует пропорциональность. Для однородного электростатического поля (например, поля конденсатора). Следовательно, единица измерения E не только, но и .

Электроемкость. Конденсатор. Соединение конденсаторов

Емкостью одного заряженного проводника называют величину. В случае двух проводников (фарад).

Емкость одного проводника имела. Для увеличения емкости проводника к нему приближают другой проводник, а между ними располагают диэлектрик. Такая система называется конденсатором (накопителем).

Существуют конденсаторы с обкладками разной геометрической формы (плоские, сферические, цилиндрические). Формула емкости плоского конденсатора, где S - площадь одной пластины, d - расстояние между пластинами.

Часто используют не отдельные конденсаторы, а несколько соединенных между собой.

1) Параллельное соединение конденсаторов позволяет получить большие емкости.
2) Последовательное соединение.

Энергия электрического поля

Энергию поля заряженного конденсатора можно рассчитать как работу, которая выполняется полем конденсатора в процессе его разрядки.
Энергию электростатического поля можно записать и иначе:

1) Выражая q из формулы, получают.

2) Выражая U из формулы, получают.

Постоянный электрический ток


Электродвижущая сила

Силы, которые в источнике тока отделяют (вопреки электростатическим силам) разноименные заряды, имеют название посторонних сил. Примеры разных по природе посторонних сил электрохимические, термоэлектрические, фотоэлектрические и др.

Энергетическая характеристика источника тока называется электродвижущей силой (ЕРС) и обозначается: ; (вольт).

ЕРС численно равняется работе посторонних сил при перенесении единичного заряда в кругу.

Закон Ома для полного круга

По закону Ома сила тока в замкнутом кругу, где r - сопротивление источника тока (внутреннее сопротивление), R - сопротивление потребителей электрической энергии и соединительных проводников.

Соединение проводников

Проводники можно соединять последовательно или параллельно.

1) При последовательном соединении проводников все электроны проводимости (весь ток) проходят через каждый из проводников, вследствие чего увеличивается число столкновений электронов с ионами, то есть увеличивается сопротивление участка.

2) При параллельном соединении проводников ток растекается: часть идет через, часть - через и т. д., что приводит к увеличению электропроводимости и уменьшению сопротивлению.


Ток в электролитах. Законы электролиза.

Электролиты (кислоты, луга, соли) - это вещества, которые в водных растворах и в расплавах проводят ток, имея проводимость ионного типа, то есть ток создается напрямленным движением не электронов (как в металлах), а ионов обоих знаков.

Окислительно-восстановительные реакции на электродах в электролите называют электролизом (на электродах осаждаются ионы, которые выделяются из электролита).

Законы электролиза (законы Фарадея).
1), где m - масса вещества, которое выделяется при прохождении тока через электролит, q - заряд, который переносится ионами, k - электрохимический эквивалент вещества.
2) Электрохимический эквивалент k прямо пропорциональный химическому эквиваленту, где M - масса моля вещества, n - ее валентность:, .

Величина - стала Фарадея.

Объединенный закон электролиза.
Ток в вакууме. Электронная эмиссия. Диод

Вакуум в сосуде - это настолько разреженное состояние газа, что его молекулы сталкиваются одна из одною реже, чем со стенками сосуда.

Вакуум - изолятор, ток в нем может возникнуть лишь за счет искусственного введения заряженных частиц. Для этого используют эмиссию (выпускание) электронов. В вакуумных лампах может происходить или термоэлектронная эмиссия, или фотоэлектронная (в фотодиоде).

В первых конструкциях вакуумных двухэлектродных ламп (диодов) использовались катоды прямого накала; потом начали изготовлять диоды с катодами непрямого нагревания.

Диод имеет одностороннюю проводимость, что позволяет использовать его для выпрямления переменного тока.

Ток в полупроводниках. Электропроводимость полупроводников

Полупроводники - вещества, что за проводимостью стоят между проводниками и диэлектриками. Примеры: германий, силиций и др. В этих кристаллах очень мало свободных электронов, повышение температуры увеличивает их число, уменьшая сопротивление кристалла.

В полупроводниках, кроме направленного движения электронов, рассматривается также движение положительно заряженных "частиц" - "дыр". Дыра - это вакансия в связках между атомами Германия или Силиция. Ее не может существовать в ваку-умі. И электронная, и дырочная проводимости чистых кристаллов (собственная проводимость) слабые.

Внесение в кристалл, который состоит из атомов четырехвалентных элементов (Германий, Силиций), примесей разной валентности резко усиливает проводимость одного типу. Кристалл с усиленной электронной проводимостью - n -кристалл, а с усиленной дырочной проводимостью - p -кристал. В первом случае используются примеси-доноры с валентностью, больше за 4 (пятивалентные Стебий и Фосфор). Во втором случае используются примеси-акцепторы с валентностью 3 (Арсен, Алюминий).

Электронно-дырочный переход. Полупроводниковый диод. Транзистор

Если одна часть полупроводникового кристалла имеет n -проводимость, а другая - p -проводимость, то это уже n - p -кристалл. Предел контакта зон с разной проводимостью - n - p -переход. Он имеет одностороннюю проводимость.


Односторонняя проводимость n - p -переходу позволяет использовать двойной кристалл в роли выпрямителя переменного тока (подобно вакуумному диоду).

Полупроводниковый триод (транзистор)

Транзистор состоит из трех полупроводниковых кристаллов с примесной проводимостью. Созданы транзисторы с разным дежурством кристаллов : n - p - n или p - n - p.

Транзисторы используют для генерирования или усиления радиосигналов.

Изменяя разницу потенциалов между эмиттером и базой (подавая на них переменную ), можно руководить коллекторным током.

Ток в диэлектрике.

Поляризация диэлектриков в переменных электрических полях рассматривается как своеобразный ток (ток смещения связанных зарядов диэлектриков). В электрическом кругу переменного тока, который содержит конденсатор, токи проводимости в проводниках защелкивающиеся током смещения в конденсаторе.

Ток в газах. Несамостоятельный и самостоятельный разряды. Понятие о плазме

Газ может стать проводником при значительном нагревании или при действии на него ультрафиолетового, рентгеновского и гамма-излучение. Внешние ионизаторы превращают часть молекул газа в позитивные ионы, отщепляя от молекул электроны. Вследствие присоединения электронов к нейтральным атомам в некоторых газах могут образовываться и негативные ионы.

Электрический ток в гаге называют газовым разрядом.

Разряд, который возникает лишь в присутствии внешнего ионизатора, - несамостоятелен. Ток в гаге, который не исчезает при устранении внешнего ионизатора, - самостойтельный разряд. Такому разряду отвечает участок CD вольт-амперной характеристики газового разряда. Самостоятельный разряд поддерживается позитивными ионами газа, которые в достаточно сильных полях, : а) выбивают электроны из катода; б) вызывают ударную ионизацию молекул газа. Спад напряжения на участке CD - следствие существенного уменьшения сопротивлению газового промежутка между электродами в разрядной трубке.

Плазмой называется газ со значительной степенью ионизации молекул. Различают плазму низко- (плазму газового разряда) и высокотемпературную (в недрах Солнца и других звезд).