Курс лекций по физике Электротехника

Закон Ома Расчет электрических цепей Электрические машины переменного тока Электронные усилители и генераторы Трехфазные выпрямители

ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ

Электрические заряды. Закон Кулона

1. Электрические заряды и электрически заряженные тела. Все вещества состоят из атомов и молекул. Важнейшими структурны­ми элементами атомов являются элементарные частицы материи. Рассмотрим основные свойства двух из них: протонов и элект­ронов.

Протоны — частицы, обладающие положительным электриче­ским зарядом. Они входят в состав атомного ядра, сообщая ему положительный заряд.

Электроны — мельчайшие отрицательно заряженные частицы, которые с огромной скоростью вращаются вокруг ядра по зам­кнутым орбитам. Заряд электрона е = — 16·10-20 Кл. Это эле­ментарный, т. е. наименьший, электрический заряд. Число элект­ронов в атомах различных химических элементов неодинаково. Так, например, атомы водорода имеют один электрон, который вращается вокруг ядра по одной орбите, а натрия — 11 электро­нов, вращающихся по трем орбитам: на первой, ближней к яд­ру, — 2, на второй — 8, на третьей — 1.

В атомах различных химических веществ, находящихся в обычном состоянии, существует электрическое равновесие: сум­марный отрицательный заряд электронов равен положительному заряду ядра. В этом случае атомы, а значит, и все вещество, со­стоящее из этих атомов, электрически нейтральны. Если атом данного вещества теряет один или несколько электронов, то рав­новесие электрических зарядов нарушается и атом превращается в положительный ион. Если же атом получает лишние электроны, то он заряжается отрицательно, превращаясь в отрицательный ион.

Процесс превращения нейтрального атома в ион называется ионизацией.

Тело называют электрически заряженным, если в нем преоб­ладают положительные или отрицательные заряды. Избыток тех или других зарядов в рассматриваемом теле возникает вследст­вие передачи заряженных частиц от одного тела другому или их перемещения внутри тела из одной его области в другую.

Электризация тел может быть осуществлена трением или в результате других физических и хими­ческих процессов.

Так, если натереть янтарь шерстью, то некоторая часть электронов перейдет от атомов шерсти к атомам янтаря. У янтаря появится избыток электронов, и он зарядится отрицательно. Количество таких избыточных электронов может быть различным. Говоря об электрически заряженном теле, указывают значения его заряда, обозначаемого буквой Q (или q). В электротехнике применяют Международную систему единиц (СИ), заряд в этой системе выражается в куло­нах (Кл).

Движущиеся заряженные частицы окружены электромагнит­ным полем и как единое целое представляют собой особый вид материи, которому присущи особые электромагнитные свойства. Важнейшими из этих свойств являются электрический заряд, собственный магнитный момент и силовое воздействие электро­магнитного поля на заряженные частицы.

2. Закон Кулона. Электрически заряженные тела (частицы) взаимодействуют друг с другом.

При разноименных зарядах тела притягиваются друг к другу, а при одноименных — отталкиваются. На рис. 1.1 представлены два точечных тела с зарядами Q1 и Q2. Заряженные тела называ­ются точечными, если их линейные размеры малы по сравнению с расстоянием R между телами. Сила их взаимодействия зависит от величины зарядов Q1 и Q2, расстояния между ними, а также среды, в которой находятся электрические заряды. Связь между этими величинами была сформулирована французским ученым Кулоном в 1775 г.: сила взаимодействия двух неподвижных то­чечных заряженных тел прямо пропорциональна произведению зарядов этих тел, обратно пропорциональна квадрату расстоя­ния между ними и зависит от среды.

Закон Кулона выражается следующей формулой:

где Q1 и Q2 — заряды точечных тел, Кл; R — расстояние между их центрами, м; εа — абсолютная диэлектрическая проницае­мость среды (она учитывает влияние среды, в которой находятся заряженные точечные тела, на силу их взаимодействия).

Сила — величина векторная. Векторы, имеющие определенное направление в пространстве, обозначаются жирным шрифтом.

3. Диэлектрическая проницаемость и электрическая постоян­ная. Различные вещества имеют разную абсолютную диэлектриче­скую проницаемость. Абсолютная диэлектрическая проницаемость вакуума (ε0) называется электрической постоянной. Ее размер­ность в СИ — фарад* на метр. Опытным путем установлено, что

Величина, показывающая, во сколько раз абсолютная ди­электрическая проницаемость вещества εа больше электрической постоянной ε0, называется относительной диэлектрической прони­цаемостью этого вещества εг = εа/ε0.

Относительная диэлектрическая проницаемость не имеет раз­мерности. Для большинства диэлектриков она лежит в пределах 1—-10, относительно мало зависит от электрических условий и тем­пературы, а поэтому считается постоянной. В табл. 1.1 приведены значения εг для некоторых веществ. Так как для парафинирован­ной бумаги εг = 4,3, то абсолютная диэлектрическая проницае­мость бумаги в 4,3 раза больше электрической постоянной и составляет εа= εгε0 = 43·8,85·10-12 = 38·10-12 Ф/м.

Небольшая группа диэлектриков, называемая сегнетоэлектриками (титанат бария, титанат свинца и др.), имеет очень высо­кую проницаемость εг (порядка многих тысяч), которая сильно зависит от электрических условий и температуры.

Таблица 1.1

Материал

εг

Материал

εг

Воздух

Трансформаторное масло

Резина

Бумага парафинированная

1

2,2

2,7

4,3

Миканит

Фарфор

Мрамор

Стекло

5,2

5,8

8,3

6—10

Пример 1.1. Определить силу взаимодействия двух точечных тел с зарядами Q1 = 25·10-6 Кл; Q2 = 4·10-6 Кл, помещенных в трансформаторное масло на расстоянии R = 10 см. друг от друга

Решение. По табл. 1.1 находим относительную диэлектрическую проница­емость трансформаторного масла εг = 2,2. Абсолютная диэлектрическая прони­цаемость трансформаторного масла

Расстояние между зарядами

R„ 10см= 10/100= 10-10 гм.

Сила взаимодействия электрических зарядов

Задание. Ответьте на вопросы контрольной карты 1.1 (реше­ние всех задач контрольных карт должно быть записано учащи­мися в рабочую тетрадь).


Номера за-

дании

Содержание заданий

Ответы

Чис

ла

кода

Номе

ра

кон­суль­тации

При непра-

вильном ответе повто­рите

части

пара-граф

1

В результате трения с поверхно­сти тела удалено 1012 электронов. Определить значение и знак заря­да этого тела

-16·10-20Кл

+16·10-8Кл

—16·10-8Кл

+16·10-20Кл

6

27

31

49

1

1.1

2

Имеется три заряженных точеч­ных тела. Первое и второе притя­гиваются, а второе и третье оттал­киваются. Определить знак заряда тела: а) первого; б) второго. Тре­тье тело заряжено отрицательным электричеством

а) +; б) +

а) +; б) –

а) -; б) –

а) -; б) +

84

90

108

127

2

1.1

3

Сила взаимодействия двух то­чечных заряженных тел в вакууме равна F. Каким из указанных спра­ва способов эта сила может быть уменьшена в 2,2 раза?

Оба заря­да умень­шить в 2,2 раза

Среду ме­жду заряда­ми заполнить трансформа­торным мас­лом. Расстояние меж­ду зарядами уменьшить в 2,2 раза

147

187

205

2

1.1

4

Определить силу взаимодейст­вия двух точечных тел с зарядами Q1 и Q2. Расстояние между ними R = 30 см. Среда и значения заря­дов указаны в таблице вариантов

1 Н

2 Н

2,5 Н

3 Н

228 

249 

285 

303

2

1.1

Значе­ния

Варианты

1-й

2-й

3-й

4-й

Q1, Кл

Q2, КЛ

Среда

5·10-6

5·10-6

Воздух

5·10-6

5·10-6

Воздух

2·10-6

11·10-6

Транс­форма­торное масло

6·10-6

9·10-6

Резина

5

Определить абсолютную ди­электрическую проницаемость ма­териала, указанного в каждом ва­рианте

23,9·10-12 Ф/м

19,47·10-12 Ф/м

51,33·10-12 Ф/м

46·10-12 Ф/м

319

104

247

223

3

1.1

Варианты

1-й

2-й

3-й

4-й

Транс­форма­торное масло

Миканит

Рези­на

Фарфор

хк витязь официальный сайт
Расчет сечения проводов по допустимому нагреву