Физика лекции / Электрический заряд
Электрический заряд – физическая величина, характеризующая способность тел вступать в электромагнитные взаимодействия. Измеряется в Кулонах.
Элементарный электрический заряд – минимальный заряд, который имеют элементарные частицы (заряд протона и электрона).
e = 
Кл
Тело имеет заряд, значит имеет лишние или недостающий электроны. Такой заряд обозначается q = ne. (он равен числу элементарных зарядов).
Наэлектризовать тело – создать избыток и недостаток электронов. Способы: электризация трением и электризация соприкосновением.
Точечный заряд – заряд тела, которое можно принять за материальную точку.
Пробный заряд (
) – точечный, малый по величине заряд, обязательно положительный – используется для исследования электрического поля.
Закон сохранения заряда: в изолированной системе алгебраическая сумма зарядов всех тел сохраняется постоянной при любых взаимодействиях этих тел между собой.
Закон Кулона: силы взаимодействия двух точечных зарядов пропорциональны произведению этих зарядов, обратно пропорциональны квадрату расстояния между ними, зависят от свойств среды и направлены вдоль прямой, соединяющей их центры.
, где 
Ф/м, Кл 2 /нм 2 – диэлектр. пост. вакуума
— относит. диэлектрическая проницаемость (>1)
— абсолютная диэлектрическая прониц. среды
Электрическое поле – материальная среда, через которую происходит взаимодействие электрических зарядов.
Свойства электрического поля:
Электрическое поле существует вокруг любого заряда. Если заряд неподвижен – поле электростатическое.
Электрическое поле действует на любой помещённый в него заряд согласно закону Кулона. Обнаружить электрическое поле можно только по его действию на другие заряды.
Электрическое поле существует в любой среде и распространяется с конечной скоростью: 
м/с.
Электрическое поле не имеет чётких границ. Действие его уменьшается при увеличении расстояния от заряда, его создающего.
Характеристики электрического поля:
Напряжённость (E) – векторная величина, равная силе, действующей на единичный пробный заряд, помещённый в данную точку.
Измеряется в Н/Кл. 
Направление – такое же, как и у действующей силы.
Напряжённость не зависит ни от силы, ни от величины пробного заряда.
Суперпозиция электрических полей: напряжённость поля, созданного несколькими зарядами, равна векторной сумме напряжённостей полей каждого заряда:
Графически электронное поле изображают с помощью линий напряжённости.
Линия напряжённости – линия, касательная к которой в каждой точке совпадает с направлением вектора напряжённости.
Свойства линий напряжённости: они не пересекаются, через каждую точку можно провести лишь одну линию; они не замкнуты, выходят из положительного заряда и входят в отрицательный, либо рассеиваются в бесконечность.
Однородное электрическое поле – поле, вектор напряжённости которого в каждой точке одинаков по модулю и направлению.
+ 
—
Неоднородное электрическое поле – поле, вектор напряжённости которого в каждой точке неодинаков по модулю и направлению.
Постоянное электрическое поле – вектор напряжённости не изменяется.
Непостоянное электрическое поле – вектор напряжённости изменяется.
Работа электрического поля по перемещению заряда.
, где F – сила, S – перемещение, 
— угол между F и S.
Для однородного поля: сила постоянна.
Работа не зависит от формы траектории; работа по перемещению по замкнутой траектории равна нулю.
Для неоднородного поля:
Потенциал электрического поля – отношение работы, которое совершает поле, перемещая пробный электрический заряд в бесконечность, к величине этого заряда.
— потенциал – энергетическая характеристика поля. Измеряется в Вольтах
Разность потенциалов: 
Если 
, то 
, значит 
— градиент потенциала.
Для однородного поля: разность потенциалов – напряжение: 
. Измеряется в Вольтах, приборы – вольтметры.
Электроёмкость – способность тел накапливать электрический заряд; отношение заряда к потенциалу, которое для данного проводника всегда постоянно.
.
Не зависит от заряда и не зависит от потенциала. Но зависит от размеров и формы проводника; от диэлектрических свойств среды.
, где r – размер, 
— проницаемость среды вокруг тела.
Электроёмкость увеличивается, если рядом находятся любые тела – проводники или диэлектрики.
Конденсатор – устройство для накопления заряда. Электроёмкость: 
Плоский конденсатор – две металлические пластины, между которыми находится диэлектрик. Электроёмкость плоского конденсатора:
, где S – площадь пластин, d – расстояние между пластинами.
Энергия заряженного конденсатора равна работе, которую совершает электрическое поле при переносе заряда с одной пластины на другую.
Перенос малого заряда 
, напряжение измениться на 
, совершится работа 
. Так как 
, а С = const, 
. Тогда 
. Интегрируем:
Энергия электрического поля: 
, где V=Sl – объём, занимаемый электрическим полем
Для неоднородного поля: 
.
Объёмная плотность электрического поля: 
. Измеряется в Дж/м 3 .
Электрический диполь – система, состоящая из двух равных, но противоположных по знаку точечных электрических зарядов, расположенных на некотором расстоянии друг от друга (плечо диполя — l).
Основная характеристика диполя – дипольный момент – вектор, равный произведению заряда на плечо диполя, направленный от отрицательного заряда к положительному. Обозначается 
. Измеряется в Кулон-метрах.
Диполь в однородном электрическом поле.
На каждый из зарядов диполя действуют силы: 
и 
. Эти силы противоположно направлены и создают момент пары сил – вращающий момент: 
, где
М – вращающий момент F – силы, действующие на диполь
d – плечо сил l – плечо диполя
p – дипольный момент E – напряжённость
— угол между p и Е q – заряд
Под действием вращающего момента, диполь повернётся и установится по направлению линий напряжённости. Векторы p и Е будут параллельны и однонаправлены.
Диполь в неоднородном электрическом поле.
Вращающий момент есть, значит диполь повернётся. Но силы будут неравны, и диполь будет двигаться туда, где сила больше.
— градиент напряжённости. Чем выше градиент напряжённости, тем выше боковая сила, которая стаскивает диполь. Диполь ориентируется вдоль силовых линий.
Собственное поле диполя.
Но 
. Тогда:
.
Пусть диполь находится в точке О, а его плечо мало. Тогда:
.
Формула получена с учётом: 
Таким образом разность потенциалов зависит от синуса половинного угла, под которым видны точки диполя, и проекции дипольного момента на прямую, соединяющие эти точки.
Диэлектрики в электрическом поле.
Диэлектрик – вещество, не имеющее свободных зарядов, а значит и не проводящее электрический ток. Однако на самом же деле проводимость существует, но она ничтожно мала.
Классы диэлектриков:
с полярными молекулами (вода, нитробензол): молекулы не симметричны, центры масс положительных и отрицательных зарядов не совпадают, а значит, они обладают дипольным моментом даже в случае, когда электрического поля нет.
с неполярными молекулами (водород, кислород): молекулы симметричны, центры масс положительных и отрицательных зарядов совпадают, а значит, они не имеют дипольного момента при отсутствии электрического поля.
кристаллические (хлорид натрия): совокупность двух подрешёток, одна из которых заряжен положительно, а другая – отрицательно; в отсутствии электрического поля суммарный дипольный момент равен нулю.
Поляризация – процесс пространственного разделения зарядов, появления связанных зарядов на поверхности диэлектрика, что приводит к ослаблению поля внутри диэлектрика.
Способы поляризации:
1 способ – электрохимическая поляризация:
На электродах – движение к ним катионов и анионов, нейтрализация веществ; образуются области положительных и отрицательных зарядов. Ток постепенно уменьшается. Скорость установления механизма нейтрализации характеризуется временем релаксации – это время, в течение которого ЭДС поляризации увеличится от 0 до максимума от момента наложения поля. 
= 10 -3 -10 -2 с.
2 способ – ориентационная поляризация:
На поверхности диэлектрика образуются некомпенсированные полярные, т.е. происходит явление поляризации. Напряжённость внутри диэлектрика меньше внешней напряжённости. Время релаксации: 
= 10 -13 -10 -7 с. Частота 10 МГц.
3 способ – электронная поляризация:
Характерна для неполярных молекул, которые становятся диполями. Время релаксации: 
= 10 -16 -10 -14 с. Частота 10 8 МГц.
4 способ – ионная поляризация:
Две решётки (Na и Cl) смещаются относительно друг друга.
Время релаксации: 
=10 -8 -10 -3 с. Частота 1 КГц
5 способ – микроструктурная поляризация:
Характерен для биологических структур, когда чередуются заряженные и незаряженные слои. Происходит перераспределение ионов на полупроницаемых или непроницаемых для ионов перегородках.
Время релаксации: 
=10 -8 -10 -3 с. Частота 1 КГц
Числовые характеристики степени поляризации:
вектор поляризованности 
. Измеряется в Кл/л
относительная диэлектрическая проницаемость 
раз
Дисперсия – зависимость от частоты.
Электрический ток – это упорядоченное движение свободных зарядов в веществе или в вакууме.
Условия существования электрического тока:
наличие свободных зарядов
наличие электрического поля, т.е. сил, действующих на эти заряды
Сила тока – величина, равная заряду, который проходит через любое поперечное сечение проводника за единицу времени (1 секунду)
Измеряется в Амперах.
n – концентрация зарядов
q – величина заряда
S – площадь поперечного сечения проводника
— скорость направленного движения частиц.
Скорость движения заряженных частиц в электрическом поле небольшая – 7*10 -5 м/с, скорость распространения электрического поля 3*10 8 м/с.
Плотность тока – величина заряда, проходящего за 1 секунду через сечение в 1 м 2 .
. Измеряется в А/м 2 .
— сила, действующая на ион со стороны эл поля равна силе трения
— подвижность ионов
— скорость направленного движения ионов =подвижность, напряжённость поля
Удельная проводимость электролита тем больше, чем больше концентрация ионов, их заряд и подвижность. При повышении температуры возрастает подвижность ионов и увеличивается электропроводность.
Пробный заряд
То́чечный электри́ческий заря́д — электрический заряд, размерами носителя которого по сравнению с расстоянием, на котором рассматривается электростатическое взаимодействие, можно пренебречь. Именно для точечных зарядов сформулирован закон Кулона. Иногда также определяется как электрически заряженная материальная точка.
См. также
Wikimedia Foundation . 2010 .
Смотреть что такое «Пробный заряд» в других словарях:
пробный заряд — — [Я.Н.Лугинский, М.С.Фези Жилинская, Ю.С.Кабиров. Англо русский словарь по электротехнике и электроэнергетике, Москва, 1999 г.] Тематики электротехника, основные понятия EN test charge … Справочник технического переводчика
пробный заряд — bandomasis krūvis statusas T sritis Standartizacija ir metrologija apibrėžtis Bandymui naudojamas krūvis. atitikmenys: angl. test charge vok. Probeladung, f; Versuchsladung, f rus. испытательный заряд, m; пробный заряд, m pranc. charge de test,… … Penkiakalbis aiškinamasis metrologijos terminų žodynas
пробный заряд — bandomasis krūvis statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. test charge vok. Probeladung, f; Versuchsladung, f rus. пробный заряд, m pranc. charge de test, f; charge d’essai, f … Fizikos terminų žodynas
испытательный заряд — bandomasis krūvis statusas T sritis Standartizacija ir metrologija apibrėžtis Bandymui naudojamas krūvis. atitikmenys: angl. test charge vok. Probeladung, f; Versuchsladung, f rus. испытательный заряд, m; пробный заряд, m pranc. charge de test,… … Penkiakalbis aiškinamasis metrologijos terminų žodynas
ЭЛЕКТРИЧЕСТВО И МАГНЕТИЗМ — раздел физики, охватывающий знания о статическом электричестве, электрических токах и магнитных явлениях. ЭЛЕКТРОСТАТИКА В электростатике рассматриваются явления, связанные с покоящимися электрическими зарядами. Наличие сил, действующих между… … Энциклопедия Кольера
Уравнения Максвелла — Классическая электродинамика … Википедия
Электрическое поле — Классическая электродинамика … Википедия
РЕАЛЬНОСТЬ ФИЗИЧЕСКАЯ — РЕАЛЬНОСТЬ ФИЗИЧЕСКАЯ понятие, характеризующее исходный эмпирический базис физических теорий, который различным образом фиксируется, моделируется, представляется на разных уровнях познавательного процесса. Термин “физическая реальность”… … Философская энциклопедия
электростатическое поле — электрическое поле неподвижных электрических зарядов. * * * ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОЕ ПОЛЕ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОЕ ПОЛЕ, электрическое поле неподвижных и не меняющихся со временем электрических зарядов, осуществляющее взаимодействие между ними.… … Энциклопедический словарь
Напряжённость электрического поля — Размерность LMT−3I−1 Единицы измерения СИ В/м Примечан … Википедия
Напряжённость электрического поля
Законом Кулона описывается взаимодействие заряженных частиц. Однако большинство сил, с которыми мы работали, возникает при взаимодействии тел посредством контакта (т.е. тела касаются друг друга). В случае электромагнитного взаимодействия контакта нет, тогда взаимодействие происходит посредством неких невидимых элементов. Тогда взаимодействия между частицами вещества и удалёнными друг от друга макроскопическими телами осуществляются через посредство физических полей, которые создаются этими частицами или телами в окружающем пространстве. В случае с заряженными частицами, эти поля назовём электромагнитными.
Тогда логика электромагнитного взаимодействия такова: заряд создаёт вокруг себя электромагнитное поле, которое, в свою очередь, действует на любой другой заряд , находящийся на любом расстоянии от источника.
Закон Кулона описывает взаимодействие между двумя зарядами:
- где
- , — модули взаимодействующих зарядов,
- — расстояние между центрами взаимодействующих зарядов,
- Н*м/Кл — постоянная.
Рис. 1. Закон Кулона. Пробный заряд
Сила (1) зависит от обоих зарядов, что не позволяет толком описать электрическое поле, создаваемое каждым из взаимодействующих частиц. Тогда придумаем немного другую систему: возьмём пробный заряд — некий малый заряд, который не будет искажать поле исследуемого нами заряда . Поместим пробный заряд в различные точки пространства рядом с исследуемым нами зарядом и проиллюстрируем силы Кулона (рис. 1).
В принципе, значение силы Кулона можно найти в любой точке пространства, однако данные силы зависят как от заряда источника, так и от значения пробного заряда. Введём новую переменную, поделив значение силы Кулона на значение пробного заряда:
- где
- — вектор напряжённости электрического поля.
Подставим силу Кулона в (1):
Исходя из (3), можно заключить, что напряжённость электрического поля зависит от заряда источника поля и точки наблюдения, описываемой расстоянием от заряда (рис. 2).
Рис. 2. Напряжённость электрического поля
Т.е. напряжённость электрического поля — параметр, описывающий поле, создаваемое зарядом-источником. Значение напряжённости электрического поля позволяет оценить сильно или слабо будет действовать поле на заряд, помещённый в него. Размерность — В/м.
Исходя из (3), можно найти напряжённость поля точечного заряда. Напряжённость электрического поля — величина векторная, поэтому для её нахождения необходимо знать как модуль, так и направление вектора. Начнём с модуля:
Рис. 3. Напряжённость электрического поля (направление)
Чтобы выяснить направление вектора, воспользуемся уравнением (2). Исходя из (2), можно заключить, что направление напряжённости электрического поля совпадает с направлением силы Кулона, а направление силы Кулона зависит от знака взаимодействующих зарядов. Чтобы не заморачиваться с рассмотрением этих зарядов в каждой задаче, просто договоримся. Если источник поля (заряд) положителен, тогда напряжённость поля направлена от заряда, если источник поля (заряд) отрицателен, тогда напряжённость поля направлена к заряду (рис. 3).
Напряжённость системы зарядов. Принцип суперпозиции напряжённости.
В случае, если в задаче источниками поля являются несколько зарядов, тогда напряжённость в интересующей точке можно найти как векторную сумму напряжённостей от каждого из зарядов:
- где
- — общая (суммарная) напряжённость в точке,
- — напряжённость в точке от каждого из зарядов.
Важно: поиск векторной суммы чаще всего сопряжён с реализацией теоремы Пифагора, теоремы косинусов или синусов, иногда с проецированиием векторов напряжённости на оси с последующим суммированием.
Рис. 4. Принцип суперпозиции напряжённости
Проиллюстрируем: пусть в системе присутствует 3 заряда (, , ), найти напряжённость в точке А, находящейся на заданном расстоянии от каждого из них (, , ) (рис. 4).
Пользуясь знаниями о зарядах, расставляем направления напряжённостей от каждого из зарядов, значение модуля каждой из них можем найти из (4). А далее геометрически складываем, получая искомый .
Напряжённость поля бесконечной заряженной плоскости.
Отдельно в школьной физике рассматривается бесконечная (осень большая) заряженная равномерно плоскость (рис. 5).
Рис. 5. Напряжённость бесконечной плоскости
Напряжённость такой плоскости вблизи её:
- где
- — поверхностная плотность заряда,
- — диэлектрическая проницаемость среды (табличная величина),
- Ф/м — электрическая постоянная
В (6) использовалось определение поверхностной плотности заряда:
- где
- — полный заряд плоскости,
- — площадь поверхности плоскости.
Важно: напряжённость бесконечной плоскости не зависит от расстояния от плоскости.
Напряжённость поля двух бесконечных заряженных плоскостей (конденсатор).
Рис. 6. Напряжённость двух бесконечных плоскостей
Если составить систему из двух бесконечных плоскостей, заряженных одинаковым по модулю и различным по знаку зарядом (при этом площади плоскостей одинаковы), то общая напряжённость между ними:
Уравнение (8) характеризует напряжённость внутри конденсатора (рис. 6).
Вывод: в случае, если в задаче требуется найти напряжённость, она дана, достаточно рассмотреть систему. Различных систем, а соответственно, и формул, немного: точечный заряд, шар, система точечных зарядов и бесконечные плоскости. Для каждой системы — своё решение.
Большая Энциклопедия Нефти и Газа
Пробный заряд q должен быть достаточно мал, чтобы электрическое поле существенно не менялось при введении этого пробного заряда. Если F измерено в динах, q — в электростатических единицах заряда, то Е выражено в динах на электростатическую единицу заряда. Напряженность электрического поля в любой точке есть векторная величина, направление которой совпадает с направлением силы, испытываемой положительным зарядом, помещенным в эту точку. Отрицательный заряд, помещенный в электрическое поле, будет испытывать действие силы, направление которой противоположно направлению электрического поля. [1]
Пробный заряд q должен быть мал по сравнению с зарядами, расположенными на других проводниках и диэлектриках, и не должен находиться слишком близко к местам неоднородности среды, например, к границам проводников и диэлектриков, чтобы обратное влияние зарядов, наводимых пробным телом, было мало. [2]
Пробный заряд должен быть настолько мал, чтобы его внесение в исследуемое поле не приводило к перераспределению зарядов, поле которых рассматривается. [3]
Точечным пробным зарядом называется заряженное тело, линейные размеры / которого весьма малы и заряд которого вследствие малости практически не искажает рассматриваемое поле. [5]
Наиболее подходящими пробными зарядами для исследования электрических полей внутри атомов являются а-частицы, испускаемые из радиоактивных веществ. Кл), массу та 6 664 — 1 ( Г кг и обладают высокой энергией, достаточной для проникновения в атомы вещества. [6]
На пробный заряд , помещенный в электростатическое поле точечного заряда, действует сила Кулона. [7]
Понятие пробный заряд означает, что заряд q0 не только сам не участвует в создании электрического поля, напряженность которого с его помощью определяется, но и столь мал, что своим присутствием не вызывает перераспределения в пространстве ( например, в проводнике) зарядов, создающих исследуемое поле, т.е. тем самым не искажает этого поля. [8]
Пусть пробный заряд е представляет собою небольшое заряженное произвольной формы тело А из металла или диэлектрика. Поле Е возбуждается, во-первых, свободным зарядом е пробного тела и, во-вторых, распределением связанных или индуцированных зарядов, которые возникают в нем под воздействием внешнего поля EQ. Результирующую силу, действующую на пробное тело А, можно вычислить с помощью формулы (34.2); тензор Т, по доказанному, к этой силе ничего не привносит. [9]
Если пробный заряд помещается на любом расстоянии от ядра в пределах электронной оболочки атома, то электростатическое воздействие характеризует эффективный заряд атома. Любой другой заряд частицы, не отвечающий реальному значению, называют формальным зарядом. Именно формальным зарядом оперируют всегда в химических формулах ионов и в уравнениях химических реакций. Формальный заряд приписывают свободному атому или чаще всего атому в составе молекулы после проведения над ними ряда условных операций. [10]
На пробный заряд q будет действовать сила Г, различная в разных точках поля, которая согласно закону Кулона будет пропорциональна величине пробного заряда дг. Поэтому, если мы возьмем отношение этой силы к величине пробного заряда, / 7 1 то эта величина уже не будет зависеть от выбора пробного заряда и будет характеризовать электрическое поле в той точке, где находится пробный заряд. [12]
Пусть пробный заряд е представляет собою небольшое заряженное произвольной формы тело А из металла или диэлектрика. Результирующую силу, действующую на пробное тело А, можно вычислить с помощью формулы (34.2); тензор Т, по доказанному, к этой силе ничего не привносит. [13]
Пусть пробный заряд е представляет собою небольшое заряженное произвольной формы тело А из металла или диэлектрика. Поле Е возбуждается, во-первых, свободным зарядом е пробного тела и, во-вторых, распределением связанных или индуцированных зарядов, которые возникают в нем под воздействием внешнего поля Ео. Результирующую силу, действующую на пробное тело А, можно вычислить с помощью формулы (34.2); тензор Т, по доказанному, к этой силе ничего не привносит. [14]
На пробный заряд , помещенный в электрическое поле, действует сила, которая зависит как от поля, так и от самого пробного заряда. [15]