К в электростатике: Закон Кулона — Википедия – 1. Электростатика. Электричество и магнетизм. Физика. Курс лекций

Posted on by alexxlab

Содержание

Электрическая постоянная — Википедия

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Электрическая постоянная (ранее также носила название диэлектрической постоянной) — физическая константа, скалярная величина, входящая в выражения некоторых законов электромагнетизма, в том числе закона Кулона, при записи их в рационализованной форме, соответствующей Международной системе единиц (СИ)[1].

Иногда, используя устаревшую терминологию, называют электрической (или диэлектрической) проницаемостью вакуума[2]. Измеряется в фарадах, делённых на метр.

По определению в СИ электрическая постоянная ε0{\displaystyle \varepsilon _{0}} связана со скоростью света c{\displaystyle c} и магнитной постоянной μ0{\displaystyle \mu _{0}} соотношением[1]

ε0=1μ0c2.{\displaystyle \varepsilon _{0}={\frac {1}{\mu _{0}c^{2}}}.}

В Международной системе единиц[править | править код]

До изменения СИ 2018—2019 годов[править | править код]

Поскольку в СИ для магнитной постоянной было справедливо точное равенство μ0=4π × 10−7 {\displaystyle \mu _{0}=4\pi \ \times \ 10^{-7}\ }Гн/м, то для электрической постоянной выполнялось соотношение

ε0=14πc2⋅107{\displaystyle \varepsilon _{0}={\frac {1}{4\pi c^{2}}}\cdot 10^{7}}м/Гн,[3]

также являвшееся точным.

Учитывая, что скорости света в СИ приписано точное значение, по определению равное 299 792 458 м/с, из последнего соотношения следует численное значение ε0{\displaystyle \varepsilon _{0}} в СИ:

ε0=14π⋅ 2997924582×10−7{\displaystyle \varepsilon _{0}={\frac {1}{4\pi \cdot \ 299792458^{2}\times 10^{-7}}}} Ф/м ≈ 8,85418781762039 · 10−12 Ф·м−1.

Или, выражая то же через основные единицы СИ,

ε0 ≈ 8,85418781762039 · 10−12 м−3·кг−1·с4·А2.
После изменений СИ 2018—2019 годов[править | править код]

С 2019 года вступили в силу изменения в СИ, включающие, в частности, переопределение ампера на основе фиксации численного значения элементарного заряда. Это привело к тому, что значение электрической постоянной стало экспериментально определяемой величиной, хотя численно её значение осталось прежним с высокой точностью. Значение электрической постоянной, рекомендованное CODATA[4]:

ε0 = 8,8541878128(13)· 10−12 м−3·кг−1·с4·А2, или Ф·м−1.

В системе СГС[править | править код]

В системе СГС электрическая постоянная как коэффициент, связывающий напряжённость и индукцию электрического поля в вакууме, также может быть введена. При этом в различных вариантах системы СГС электрическая постоянная имеет разную размерность и значение. Конкретно, Гауссова система единиц и система СГСЭ построены так, что электрическая постоянная безразмерна и равна 1, а в системе СГСМ она равна ε

0 = 1/c2 ≈ 1,11265005605362 · 10−21 с2·см−2.

Некоторые уравнения электродинамики в СИ[править | править код]

В материальных уравнениях, в вакууме, через электрическую постоянную связаны вектор электрической индукции D{\displaystyle \mathbf {D} } и вектор напряжённости электрического поля E{\displaystyle \mathbf {E} }:

D=ε0 E.{\displaystyle \mathbf {D} =\varepsilon _{0}\ \mathbf {E} .}

Она также входит в запись закона Кулона (тоже в вакууме):

F12=14πε0⋅q1q2r122r12r12.{\displaystyle \mathbf {F} _{12}={\frac {1}{4\pi \varepsilon _{0}}}\cdot {\frac {q_{1}q_{2}}{r_{12}^{2}}}{\frac {\mathbf {r} _{12}}{r_{12}}}.}

При использовании СИ произведение электрической постоянной на относительную диэлектрическую проницаемость называют абсолютной диэлектрической проницаемостью.

электростатика — это… Что такое электростатика?

ЭЛЕКТРОСТА́ТИКА -и; ж. Раздел теории электричества, в котором изучаются взаимодействие и электрические поля неподвижных электрических зарядов.

раздел электродинамики, изучающий взаимодействие и электрические поля покоящихся электрических зарядов.

ЭЛЕКТРОСТА́ТИКА, раздел теории электричества, в котором изучается взаимодействие неподвижных электрических зарядов (см. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЗАРЯД). В основе электростатики, изучающей стационарное силовое взаимодействие между макроскопическими неподвижными заряженными телами, заложены три экспериментально установленных факта: наличие двух видов электрических зарядов, существование взаимодействия между ними, осуществляемое электрическим полем (см. ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ), и принцип суперпозиции (см. СУПЕРПОЗИЦИИ ПРИНЦИП), когда взаимодействие любых двух зарядов не зависит от присутствия других.
Существует два типа зарядов, положительные, обозначаемые знаком плюс «+», и отрицательные, которым присвоен знак минус «-». Заряды создают вокруг себя электрическое поле. Поле неподвижных зарядов является электростатическим полем (см. ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОЕ ПОЛЕ). Электрический заряд и электрическое поле — первичные понятия электростатики.
Суммарный заряд тела, как положительный, так и отрицательный всегда кратен некоторому элементарному электрическому заряду (см. ЭЛЕМЕНТАРНЫЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЗАРЯД). В электростатике изучаются физические величины, усредненные в пространстве и во времени. При усреднении в пространстве применяют обычные методы физики сплошных сред, усреднение по времени позволяет считать стационарными заряды, находящиеся в тепловом движении. Положительные и отрицательные заряды являются составными частями молекул, и все макроскопические тела содержат огромное количество положительных и отрицательных зарядов, но об электростатическом взаимодействии говорят лишь в том случае, когда тело имеет избыток зарядов одного знака. Заряд макроскопического тела определяется суммарным зарядом элементарных частиц, из которых состоит это тело. Усреднение позволяет рассматривать не только отдельные заряды, но и вводить представление об объемной плотности заряда. Закон сохранения зарядов утверждает, что в замкнутой системе заряд сохраняется.
Мерой электрического поля, осуществляющего взаимодействие зарядов, в любой его точке является напряженность (см. НАПРЯЖЕННОСТЬ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ). Изображают электрическое поле с помощью силовых линий (см. СИЛОВЫЕ ЛИНИИ) — линий, касательная к которым совпадает с направлением напряженности поля. Напряженность поля в любой точке пропорциональна величине образующего заряда, поэтому в принципе возможно поставить в соответствие элементарному заряду определенное ограниченное число силовых линий.
Электрические заряды одного знака отталкивают друг друга, заряды противоположного знака — притягиваются. На этом явлении основан принцип работы электрометра (см. ЭЛЕКТРОМЕТР). Регистрация взаимодействия зарядов всегда осуществляется на расстояниях, значительно больших, чем межатомные. Между электрическими зарядами, размером которых можно пренебречь, действует сила, величина которой определяется законом Кулона (см. КУЛОНА ЗАКОН). Закон Кулона — основной закон электростатики, определяет силу взаимодействия неподвижных точечных зарядов в зависимости от их величины и расстояния между ними.
Из закона Кулона следует, что работа электрических сил при перемещении заряда не зависит от пути, по которому заряд движется из одной точки в другую, а определяется лишь положением этих точек в пространстве. Если одну из точек унести в бесконечность, то тогда в каждой точке можно поставить в соответствие электрический потенциал (
см. ПОТЕНЦИАЛ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИЙ), который характеризует работу, которую нужно совершить, чтобы перенести единичный заряд из бесконечности в данную точку. Если в электрическом поле соединить все точки с одинаковым потенциалом, то мы получим поверхность равных потенциалов, или эквипотенциальную поверхность (см. ЭКВИПОТЕНЦИАЛЬНАЯ ПОВЕРХНОСТЬ).
Принцип суперпозиции электрических полей — один из основных принципов электростатики, и является обобщений многих наблюдений. В соответствии с принципом суперпозиции напряженность электрического E поля нескольких неподвижных точечных зарядов q1, q2, q3…равна векторной сумме напряженности полей, которые бы создавал каждый из этих зарядов в отсутствии остальных. Фактически, он означает, что присутствие других зарядов не сказывается на поле, создаваемое данным зарядом.
Закон взаимодействия электрических зарядов можно сформулировать в виде теоремы Гаусса (см. ГАУССА ТЕОРЕМА), которую можно рассматривать как следствие закона Кулона и принципа суперпозиции. Типичные задачи электростатики — нахождение распределения зарядов на поверхностях проводников по известным полным зарядам или потенциалам каждого из них, а также вычисление энергии системы проводников по их зарядам и потенциалам. Электростатика изучает также поведение различных материалов — проводников и диэлектриков — в электрическом поле.

Электростатический заряд: определение, законы электростатики

В данной статье вы узнаете что такое электростатический заряд, определение и 2 закона электростатики.

Вступление

Изучение электростатики — это изучение электричества в покое. Если вы не понимаете, что подразумевается под электричеством, находящимся в состоянии покоя, просто представьте себе концепцию тока, который возникает в результате потока электронов. В случае электростатического мы изучаем поведение электрических зарядов, которые не находятся в движении.

Заряд

Чтобы понять концепцию заряда, подумайте об атоме, который является электрически нейтральным, поскольку он состоит из равного числа положительных и отрицательных зарядов в форме протонов и электронов соответственно (нейтроны являются электрически нейтральными). Структура атома такова, что протоны и нейтроны очень тесно связаны, тогда как электроны, окружающие ядро, относительно легче смещать. Следовательно, добавление или удаление электронов из нейтрального атома приведет к тому, что он станет положительно или отрицательно заряженным.

модель атома

Законы, регулирующие электростатику

Есть два основных закона, которые регулируют явление электростатики следующим образом:

Первый закон довольно парадоксален по сравнению с людьми. Позвольте мне объяснить — каких друзей вы хотели бы иметь? Большинству людей нравится общаться с единомышленниками, но в случае обвинений — нет. Первый закон электростатики гласит, что подобные заряды отталкивают друг друга, а разнородные притягивают друг друга. Конечно, это можно сравнить с человеческой чертой притяжения к противоположному полу, возможно, за этим стоит принцип электростатики.

электростатический заряд

Второй закон электростатики гласит, что сила притяжения или отталкивания, действующая между двумя частицами зарядов, прямо пропорциональна силе их зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между двумя зарядами. Это означает, что чем больше заряды, тем больше будет сила; чем больше расстояние между ними, тем меньше сила между ними. Этот второй закон электростатики также известен в народе как закон Кулона и назван в честь великого ученого Чарльза Огюстена де Кулона.

Единица заряда также названа в его честь и известна как кулон. Один кулон определяется как заряд, который, находясь в строгом вакууме на расстоянии одного метра от аналогичного заряда, создает силу, равную 9 * 10 9 Ньютонов. Эта сила может быть либо притягивающей, либо отталкивающей, в зависимости от того, являются ли эти два заряда одинаковыми или противоположными, как это постулируется первым законом электростатики.

Математически закон Кулона или второй закон электростатики можно записать в виде:

F = 9 * 10 9 (Q1 * Q2) / d 2

Где Q1 и Q2 — два заряда с расстоянием между ними d, а F — сила, действующая одним зарядом на другой. Легко заметить, что это уравнение приводит к определению единицы заряда, как описано ранее. Другое интересное следствие этого уравнения состоит в том, что, если два заряда имеют разную величину, сила, оказываемая меньшим зарядом на больший заряд, будет такой же, как больший заряд, действующий на меньший заряд.

Что может электростатика (К.Ю. Богданов)

К.Ю. Богданов

Что может электростатика

…Все предсказания электростатики следуют из двух её законов. Но одно дело высказать эти вещи математически, и совсем другое — применять их с легкостью и с нужной долей остроумия.

Ричард Фейнман (ФЛФ, т.5, c.90, Москва, Мир, 1966)

 

Электростатика изучает взаимодействие неподвижных зарядов. Ключевые эксперименты электростатики были проведены в XVII – XVIII в.в. С открытием электромагнитных явлений и той революции в технологиях, которые они произвели, интерес к электростатике на некоторое время был утерян. Современные научные исследования показывают огромное значение электростатики для понимания многих процессов живой и неживой природы. В настоящее время электростатика начинает играть всё более и более заметную роль в различных технологиях, о чём рассказано в предлагаемом читателю коротком обзоре.

 

Электростатика и жизнь

В 1953 году американские учёные С. Миллер (S. Miller) и Г. Юри (Harold Urey) показали, что одни из «кирпичиков жизни» — аминокислоты могут быть получены путем пропускания электрического разряда через газ, близкий по составу «первобытной» атмосфере Земли, состоящей из метана, аммиака, водорода и паров воды (см. рис.1). В течение последующих 50 лет другие исследователи повторили эти опыты и получили те же результаты. Таким образом, считается научно доказанной возможность зарождения жизни на Земле вследствие разрядов молний.

 

Подпись к рисунку 1. Слева, С. Миллер, проводящий эксперимент, схема которого показана справа.

1 – электроды внутри колбы, заполненной «первобытной» атмосферой, между которыми возникали электрические разряды; 2 – циркуляция охлаждающей жидкости, приводящей к конденсации водяных паров; 3 – источник тепла; 4 – кипящая вода; 5 – к вакуумному насосу. Тонкими стрелками показано движение газа и паров внутри замкнутой системы.

  
При пропускании коротких импульсов тока через бактерии в их оболочке (мембране) появляются поры, через которые внутрь могут проходить фрагменты ДНК других бактерий, запуская один из механизмов эволюции. Таким образом, энергия, необходимая для зарождения жизни на Земле и её эволюции была электростатической энергией разряда конденсаторов — молний между облаками и землёй.

 

Как электростатика вызывает молнии

В каждый момент времени в разных точках Земли сверкают молнии около 2000 гроз. В каждую секунду около 50 молний ударяются в поверхность Земли, и в среднем 1 кв. км поражается молнией шесть раз в году. Ещё Б. Франклин показал, что молнии, бьющие по земле из грозовых облаков – это электрические разряды, переносящие на неё

отрицательный заряд. При этом каждый из разрядов снабжает Землю несколькими десятками Кл, а амплитуда тока при ударе молнии составляет от 20 до 100 кА. Скоростная фотосъёмка показала, что разряд молнии длится лишь десятые доли секунды и состоит из нескольких более коротких.

 

С помощью измерительных приборов, установленных на атмосферных зондах, в начале 20-го века было измерено электрическое поле Земли, напряжённость которого у поверхности, оказалась равной около 100 В/м, что соответствует суммарному заряду планеты около 400000 Кл. Переносчиком зарядов в атмосфере Земли служат ионы, концентрация которых увеличивается с высотой и достигает максимума на высоте 50 км, где под действием космического излучения образовался электропроводящий слой, ионосфера. Поэтому электрическое поле Земли — это поле сферического конденсатора с приложенным напряжением около 400 кВ. Под действием этого напряжения из верхних слоёв в нижние всё время течёт ток 2 — 4 кА, плотность которого составляет 1 — 2

.10-12 А/м2, и выделяется энергия до 1,5 ГВт. И это электрическое поле исчезло бы, если не было бы молний! Поэтому в хорошую погоду электрический конденсатор Земли разряжается, а при грозе – заряжается.

 

Грозовое облако – это огромное количество пара, часть которого конденсировалось в виде мельчайших капелек или льдинок. Верх грозового облака может находиться на высоте 6-7 км, а низ нависать над землёй на высоте 0,5 – 1 км. Выше 3-4 км облака состоят из льдинок разного размера, так как температура там всегда ниже нуля. Эти льдинки находятся в постоянном движении, вызванном восходящими потоками тёплого воздуха, поднимающегося снизу от нагретой поверхности земли. Мелкие льдинки легче, чем более крупные, увлекаются восходящими потоками воздуха. Поэтому шустрые мелкие льдинки, двигаясь в верхнюю часть облака, всё время сталкиваются с крупными. При каждом таком столкновении происходит электризация, при которой крупные льдинки заряжаются отрицательно, а мелкие положительно. Со временем положительно заряженные мелкие льдинки оказываются в верхней части облака, а отрицательно заряженные крупные – внизу (см. рис.2). Другими словами, верхушка облака заряжается положительно, а низ – отрицательно. Всё готово для разряда молнии, при котором происходит пробой воздуха, и отрицательный заряд с нижней части грозовой тучи перетекает на Землю.

Подпись к рисунку 2. Схематическое изображение разделения электрических зарядов в грозовом облаке и появления положительных зарядов на земле под облаком вследствие электростатической индукции перед разрядом молнии.

Под грозовым облаком плотность наведённых на земле положительных зарядов может значительно возрастать, а напряженность электрического поля может превышать 100 кВ/м, т.е. в 1000 раз превышать её значение в хорошую погоду. В результате, во столько же раз увеличивается  положительный заряд каждого волоска на голове человека, стоящего под грозовой тучей, и они, отталкиваясь друг от друга, … встают (см. рис.3).

Подпись к рисунку 3. Как встают волосы в сильном электрическом поле.

 

Фульгурит – след молнии на земле

При разряде молнии выделяется энергия 109 ¸ 1010 Дж. Бòльшая часть этой энергии тратится на гром, нагрев воздуха, световую вспышку и другие электромагнитные волны, и только маленькая часть выделяется в том месте, где молния входит в землю. Однако и этой “маленькой” части вполне достаточно, чтобы вызвать пожар, убить человека и разрушить здание. Молния может разогревать канал, по которому она движется, до 30000 °С, что гораздо выше температуры плавления песка (1600 – 2000 °C). Поэтому  молнии, попадая в песок, плавят его, а раскалённый воздух и водяные пары, расширяясь, формируют из расплавленного песка трубку, которая через некоторое время застывает. Так рождаются фульгуриты (громовые стрелы, чёртовы пальцы) – полые цилиндры, сделанные из оплавленного песка (см. рис. 4).  Самые длинные из раскопанных фульгуритов уходили под землю на глубину более пяти метров.

  

Подпись к рисунку 4. Слева – фульгуриты, найденные автором в окрестностях района Крылатское г. Москвы; для масштаба на том же фото показана пятирублёвая монета. Справа — схематическое изображение процесса возникновения фульгурита (см. текст).

 

Как электростатика защищает от молний

К счастью, большинство разрядов молнии происходят между облаками и поэтому не угрожают здоровью людей. Однако считается, что каждый год молнии убивают более тысячи людей по всему миру. По крайней мере, в США, где ведётся такая статистика, каждый год от удара молнии страдают около 1000 человек, и более ста из них погибают. Учёные давно пытались защитить людей от этой «кары божьей». Например, изобретатель первого электрического конденсатора (лейденской банки) Питер ван Мушенбрук (1692-1761) в статье об электричестве, написанной для знаменитой французской «Энциклопедии» защищал традиционные способы предотвращения молнии – колокольный звон и стрельба из пушек, которые, как он считал, оказываются довольно эффективными.

В 1775 году Б. Франклин, пытаясь защитить здание Капитолия столицы штата Мериленд от удара молнии, прикрепил к зданию толстый железный стержень, возвышающийся над куполом на несколько метров и соединённый с землёй. Ученый отказался патентовать свое изобретение, желая, чтобы оно как можно скорее начало служить людям. Механизм действия громоотвода легко объяснить, если вспомнить, что напряжённость электрического поля вблизи поверхности заряженного проводника увеличивается с ростом кривизны этой поверхности. Поэтому под грозовым облаком вблизи острия громоотвода напряжённость поля будет так высока, что вызовет ионизацию окружающего воздуха и коронный разряд. В результате, вероятность попадания молнии в громоотвод значительно возрастает. Так знание электростатики не только позволило объяснить происхождение молний, но и защититься от них.  

Весть о громоотводе Франклина быстро разнеслась по Европе, и его выбрали во все академии, включая и Российскую. Однако в некоторых странах набожное население встретило это изобретение с возмущением. Сама мысль, что человек так легко и просто может укротить главное оружие божьего гнева, казалась кощунственной. Поэтому в разных местах люди из благочестивых соображений ломали громоотводы. Любопытный случай произошел в 1780 году в одном небольшом городке (г. Сент-Омер) на севере Франции, где горожане потребовали снести железную мачту громоотвода, и дело дошло до судебного разбирательства. Молодой адвокат, защищавший громоотвод от нападок мракобесов, построил защиту на том, что и разум человека, и его способность покорять силы природы имеют божественное происхождение. Все, что помогает спасти жизнь, во благо — доказывал молодой адвокат. Он выиграл процесс и снискал большую известность. Адвоката звали Максимилиан Робеспьер. Ну, а сейчас портрет изобретателя громоотвода — самая желанная репродукция в мире, ведь она украшает известную всем стодолларовую купюру.

 

Электростатика, возвращающая жизнь

Энергия разряда конденсатора не только привела к возникновению жизни на Земле, но и может вернуть жизнь людям, у которых клетки сердца перестали синхронно сокращаться. Асинхронное (хаотичное) сокращение клеток сердца называют фибрилляцией. Фибрилляцию сердца можно прекратить, если пропустить через все его клетки короткий импульс тока. Для этого к грудной клетке пациента прикладывают два электрода, через которые пропускают импульс длительностью около 10 мс и амплитудой до нескольких десятков ампер (см. рис.5). При этом энергия разряда через грудную клетку может достигать 400 Дж, что равно потенциальной энергия пудовой гири приподнятой на высоту 2,5 м.  Устройство, обеспечивающее электрический разряд, прекращающий фибрилляцию сердца, называют дефибриллятором. Простейший дефибриллятор представляет собой колебательный контур, состоящий из конденсатора ёмкостью около 20 мкФ и катушки с индуктивностью 0,4 Гн. Зарядив конденсатор до напряжения 1 — 6 кВ и разрядив его через катушку и пациента, сопротивление которого составляет около 50 Ом, можно получить импульс тока, необходимый для возвращения пациента к жизни.  

Подпись к рисунку 5. Расположение электродов на грудной клетке пациента при электрической дефибрилляции сердца.

 

Электростатика, дающая свет

Люминесцентная лампа может служить удобным индикатором напряжённости электрического поля. Чтобы убедиться в этом, находясь в тёмном помещении, потрём лампу полотенцем или шарфом, в результате внешняя поверхность лампового стекла зарядится положительно, а ткань отрицательно. Как только это произойдёт, мы увидим всполохи света, возникающие в тех местах лампы, к которым мы прикасаемся заряженной тканью.

Измерения показали, что напряжённость электрического поля внутри работающей люминесцентной лампы составляет около 10 В/м. При такой напряжённости поля свободные электроны обладают необходимой энергией для ионизации атомов ртути внутри люминесцентной лампы.

Электрическое поле под высоковольтными линиями электропередач (ЛЭП) может достигать очень высоких значений. Поэтому, если в тёмное время суток люминесцентную лампу воткнуть в землю под ЛЭП, то она загорится и довольно ярко (см. рис.6). Так с помощью энергии электростатического поля можно освещать пространство под ЛЭП.

Подпись к рисунку 6. Свечение люминесцентных ламп, воткнутых в землю под высоковольтными линиями электропередач.

 

Как электростатика предупреждает о пожаре и делает дым чище

В большинстве случаев при выборе типа детектора пожарной сигнализации предпочтение отдается дымовому датчику, так как пожар обычно сопровождается выделением большого количества дыма, и именно этот тип детектора способен предупредить людей в здании об опасности. Дымовые датчики используют ионизацию или фотоэлектрический принцип для обнаружения дыма в воздухе.

В ионизационных детекторах дыма используется источник a — излучения (как правило, америций-241, 241Am), ионизирующий воздух между металлическими пластинами-электродами, электрическое сопротивление между которыми постоянно измеряется с помощью специальной схемы.

Подпись к рисунку 7. Слева – внешний вид ионизационного детектора дыма; справа – «разноцветные» ионы, образующиеся в результате a — излучения, обеспечивают проводимость между электродами (верх), которая исчезает, когда появляются частички пыли (чёрные точки).

 

Оказывающиеся между пластинами микрочастицы дыма связываются с ионами, нейтрализуют их заряд, и увеличивают таким образом сопротивление между электродами, на что реагирует электрическая схема, подавая сигнал тревоги. Датчики, устроенные на этом принципе, демонстрируют весьма впечатляющую чувствительность, реагируя ещё до того, как самый первый признак дыма обнаруживается живым существом. Следует отметить, что никакой опасности для человека этот источник радиации не представляет, так как альфа-лучи не могут пройти даже через лист бумаги и полностью поглощаются слоем воздуха толщиной несколько сантиметров.

 

Способность частичек пыли к электризации широко используется в электростатических пылеуловителях (см. рис. 8). Газ, содержащий, например, частицы сажи, поднимаясь вверх (синие стрелки), проходит через отрицательно заряженную металлическую сетку (1), в результате чего эти частицы приобретают отрицательный заряд (2). Продолжая подниматься вверх, частицы оказываются в электрическом поле положительно заряженных пластин (3), к которым они притягиваются (4), после чего частицы падают в специальные ёмкости (5), откуда их периодически удаляют. 

Подпись к рисунку 8. Схема промышленного электростатического пылеуловителя. Объяснения в тексте.

 

Биоэлектростатика

Одна из причин астмы – продукты жизнедеятельности пылевых клешей, насекомых размером около 0,5 мм, живущих в нашем доме (см. рис. 9).

Подпись к рисунку 9. Пылевой клещ, продукты жизнедеятельности которого, являются причинами астмы.

 

Исследования показали, что приступы астмы вызываются одним из белков Der p1, который выделяют эти насекомые. Структура этого белка напоминает подкову, оба конца которой заряжены положительно. Электростатические силы отталкивания между концами такого подковообразного белка делают его структуру стабильной. Однако свойства белка можно изменить, если нейтрализовать его положительные заряды. Это удаётся сделать, если увеличить концентрацию отрицательных ионов в воздухе с помощью  любого ионизатора, например, люстры Чижевского (см. рис. 10). Одновременно с этим уменьшается и частота приступов астмы.  

Подпись к рисунку 10. Один из типов люстры Чижевского.

 

Электростатика помогает не только обезвреживать белки, выделяемые насекомыми, но и ловить их самих. Известно, что волосы «встают дыбом», если их зарядить. Можно себе представить, что испытывают насекомые, когда оказываются электрически заряженными. Тончайшие волоски на их лапках расходятся в разные стороны, и насекомые теряют способность передвигаться. На таком принципе основана ловушка для тараканов, показанная на рисунке 11. Тараканов привлекает сладкая пудра, предварительно электростатически заряженная. Пудрой (белая) покрывают наклонную поверхность, находящуюся вокруг ловушки (голубая). Оказавшись на пудре, насекомые становятся заряженными и скатываются в ловушку.

Подпись к рисунку 11. Электростатическая ловушка для тараканов.

 

Что такое антистатики?

Одежда, ковры, покрывала и т.п. заряжаются после контакта с другими предметами, а иногда и просто со струями воздуха. В быту и на производстве заряды, возникающие на предметах, часто называют статическим электричеством.

При нормальных атмосферных условиях натуральные волокна (из хлопка, шерсти, шёлка и вискозы) хорошо впитывают влагу (гидрофильны) и поэтому слегка проводят электричество. Когда натуральные волокна касаются или трутся о другие материалы, на их поверхностях появляются избыточные электрические заряды, но на очень короткое время, т.к. эти заряды сразу же стекают обратно по влажным волокнам ткани, содержащим различные ионы.

В отличие от натуральных волокон синтетические волокна (полиэфирные, акриловые, полипропиленовые) плохо впитывают влагу (гидрофобны), и на их поверхности меньше подвижных ионов. При контакте синтетических материалов друг с другом они заряжаются противоположным зарядом, но так как заряды очень медленно стекают с синтетических материалов, то эти материалы прилипают  друг к другу, создавая неудобства и неприятные ощущения. Кстати, волосы по структуре очень близки к синтетическим волокнам и тоже гидрофобны. Поэтому при контакте, например, с расчёской они заряжаются электричеством и начинают отталкиваться друг от друга.

Чтобы избавиться от статического электричества, поверхность одежды или другого предмета, можно смазать веществом, которое удерживало бы влагу и этим увеличивало концентрацию подвижных ионов на его поверхности. После такой обработки возникший электрический заряд быстро исчезнет с поверхности предмета или распределится по ней. Гидрофильность поверхности можно увеличить, смазав её поверхностно-активными веществами, молекулы которых похожи на мыльные молекулы – одна часть очень длинной молекулы заряжена, а другая нет. Вещества, препятствующие появлению статического электричества, называют антистатиками. Антистатиком является и обычная угольная пыль или сажа. Поэтому, чтобы избавиться от статического электричества, в состав пропитки ковролиновых покрытий и обивочных материалов включают, так называемую, ламповую сажу. Для этих же целей в состав материалов из синтетических волокон включают до 3% натуральных волокон, а иногда и тонкие металлические нити.

 

 

 

ЭЛЕКТРОСТАТИКА — это… Что такое ЭЛЕКТРОСТАТИКА?


ЭЛЕКТРОСТАТИКА
ЭЛЕКТРОСТАТИКА

(от греч. электричество и статика) — Учение о законах электричества в состоянии равновесия.

Словарь иностранных слов, вошедших в состав русского языка.- Чудинов А.Н., 1910.

ЭЛЕКТРОСТАТИКА

от электричество и греч. статика. Учение об электричестве в спокойном состоянии.

Объяснение 25000 иностранных слов, вошедших в употребление в русский язык, с означением их корней.- Михельсон А.Д., 1865.

ЭЛЕКТРОСТАТИКА

учение о законах электричества в состоянии равновесия.

Словарь иностранных слов, вошедших в состав русского языка.- Павленков Ф., 1907.

ЭЛЕКТРОСТАТИКА

учение об электричества в покое, в отличие от электродинамики.

Полный словарь иностранных слов, вошедших в употребление в русском языке.- Попов М., 1907.

электроста́тика
(см. электро… + статика) раздел физики электрических явлений, в котором изучаются взаимодействие и электрические поля неподвижных электрических зарядов ср. электродинамика).

Новый словарь иностранных слов.- by EdwART, , 2009.

электростатика

[см. статика] – отдел физики, изучающий свойства и взаимодействия неподвижно распределённых электрических зарядов, в отличие от электродинамики

Большой словарь иностранных слов.- Издательство «ИДДК», 2007.

электростатика
и, мн. нет, ж. ( электро… + статика).
Раздел физики электрических явлений, в котором изучаются свойства и взаимодействие неподвижных электрических зарядов.
Электростатический — относящийся к электростатике.
|| Ср. электродинамика.

Толковый словарь иностранных слов Л. П. Крысина.- М: Русский язык, 1998.

.

  • ЭЛЕКТРОСМОГ
  • ЭЛЕКТРОТЕХНИК

Смотреть что такое «ЭЛЕКТРОСТАТИКА» в других словарях:

  • электростатика — электростатика …   Орфографический словарь-справочник

  • ЭЛЕКТРОСТАТИКА — раздел электродинамики, изучающий взаимодействие и электрические поля покоящихся электрических зарядов …   Большой Энциклопедический словарь

  • ЭЛЕКТРОСТАТИКА — ЭЛЕКТРОСТАТИКА, отрасль физики, изучающая ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЗАРЯДЫ в состоянии покоя. Для этого часто используют заряженную металлическую сферу (ГЕНЕРАТОР ВАН ДЕ ГРААФА), изолированную от окружающей среды, или изолированные пластины КОНДЕНСАТОРА …   Научно-технический энциклопедический словарь

  • ЭЛЕКТРОСТАТИКА — ЭЛЕКТРОСТАТИКА, элкростатики, мн. нет, жен. (см. электричество и статика) (физ.). Отдел физики, изучающий свойства неподвижных электрических зарядов; ант. электродинамика. Толковый словарь Ушакова. Д.Н. Ушаков. 1935 1940 …   Толковый словарь Ушакова

  • ЭЛЕКТРОСТАТИКА — ЭЛЕКТРОСТАТИКА, и, ж. (спец.). Раздел электродинамики, изучающий взаимодействие покоящихся электрических зарядов и их электрического поля. Толковый словарь Ожегова. С.И. Ожегов, Н.Ю. Шведова. 1949 1992 …   Толковый словарь Ожегова

  • ЭЛЕКТРОСТАТИКА — раздел электродинамики, в к ром изучается вз ствие неподвижных электрич. зарядов (электростатич. вз ствие). Такое вз ствие осуществляется посредством электростатического поля. Осн. закон Э. Кулона закон. Источниками электростатич. поля явл.… …   Физическая энциклопедия

  • электростатика — — [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 electrostatics …   Справочник технического переводчика

  • ЭЛЕКТРОСТАТИКА — раздел физики, в котором изучаются законы взаимодействия неподвижных электрических зарядов (см. (4)). Электрическое поле покоящихся зарядов называется электростатическим полем (см. (16)), а силы взаимодействия этих зарядов электростатическими… …   Большая политехническая энциклопедия

  • Электростатика —     Классическая электродинамика …   Википедия

  • электростатика — и; ж. Раздел теории электричества, в котором изучаются взаимодействие и электрические поля неподвижных электрических зарядов. * * * электростатика раздел электродинамики, изучающий взаимодействие и электрические поля покоящихся электрических… …   Энциклопедический словарь

Книги

  • Электростатика в вопросах и задачах. Пособие по решению задач для студентов, Н. Н. Брандт, Г. А. Миронова, А. М. Салецкий. Учебное пособие представляет собой краткое (тезисное) изложение теории электростатики, снабжено наглядными иллюстрациями (линии напряженности, индукции и эквипотенциальных поверхностей),… Подробнее  Купить за 624 руб
  • Электростатика, Р. К. Бега, В. В. Лебедев, И. Н. Хлюстиков. Пособие посвящено изложению основ электростатики, а также их выводу методами, принятыми в школьном курсе физики. При подаче материала широко используется понятиефизического поля,… Подробнее  Купить за 310 грн (только Украина)
  • Электростатика, Бега Р.. Пособие посвящено изложению основ электростатики, а также их выводу методами, принятыми в школьном курсе физики. При подаче материала широко используется понятиефизического поля,… Подробнее  Купить за 240 руб
Другие книги по запросу «ЭЛЕКТРОСТАТИКА» >>

Электрическая ёмкость — Википедия

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Электри́ческая ёмкость — характеристика проводника, мера его способности накапливать электрический заряд. В теории электрических цепей ёмкостью называют взаимную ёмкость между двумя проводниками; параметр ёмкостного элемента электрической схемы, представленного в виде двухполюсника. Такая ёмкость определяется как отношение величины электрического заряда к разности потенциалов между этими проводниками[1].

В Международной системе единиц (СИ) ёмкость измеряется в фарадах, в системе СГС — в сантиметрах.

Для одиночного проводника ёмкость равна отношению заряда проводника к его потенциалу в предположении, что все другие проводники бесконечно удалены и что потенциал бесконечно удалённой точки принят равным нулю. В математической форме данное определение имеет вид

C=Qφ,{\displaystyle C={\frac {Q}{\varphi }},}

где Q{\displaystyle Q} — заряд, φ{\displaystyle \varphi } — потенциал проводника.

Ёмкость определяется геометрическими размерами и формой проводника и электрическими свойствами окружающей среды (её диэлектрической проницаемостью) и не зависит от материала проводника. К примеру, ёмкость проводящего шара (или сферы) радиуса R равна (в системе СИ):

C=4πε0εrR,{\displaystyle C=4\pi \varepsilon _{0}\varepsilon _{r}R,}

где ε0 — электрическая постоянная, равная 8,854⋅10−12Ф/м, εr — относительная диэлектрическая проницаемость.

Вывод формулы

Известно, что φ1−φ2=∫12Edl⇒φ=∫R∞Edl=14πεrε0∫R∞qr2dr=14πεε0qR.{\displaystyle \varphi _{1}-\varphi _{2}=\int _{1}^{2}E\,dl\Rightarrow \varphi =\int _{R}^{\mathcal {\infty }}E\,dl={\frac {1}{4\pi \varepsilon _{r}\varepsilon _{0}}}\int _{R}^{\mathcal {\infty }}{\frac {q}{r^{2}}}\,dr={\frac {1}{4\pi \varepsilon \varepsilon _{0}}}{\frac {q}{R}}.}

Так как C=qφ{\displaystyle C={\frac {q}{\varphi }}}, то подставив сюда найденный φ{\displaystyle \varphi }, получим, что C=4πε0εrR.{\displaystyle C=4\pi \varepsilon _{0}\varepsilon _{r}R.}

Понятие ёмкости также относится к системе проводников, в частности, к системе двух проводников, разделённых диэлектриком или вакуумом, — к конденсатору. В этом случае ёмкость (взаимная ёмкость) этих проводников (обкладок конденсатора) будет равна отношению заряда, накопленного конденсатором, к разности потенциалов между обкладками. Для плоского конденсатора ёмкость равна:

C=ε0εrSd,{\displaystyle C=\varepsilon _{0}\varepsilon _{r}{\frac {S}{d}},}

где S — площадь одной обкладки (подразумевается, что обкладки одинаковы), d — расстояние между обкладками, εr — относительная диэлектрическая проницаемость среды между обкладками.

Электрическая ёмкость некоторых систем[править | править код]

Вычисление электрической ёмкости системы требует решение Уравнения Лапласа ∇2φ = 0 с постоянным потенциалом φ на поверхности проводников. Это тривиально в случаях с высокой симметрией. Нет никакого решения в терминах элементарных функций в более сложных случаях.

В квазидвумерных случаях аналитические функции отображают одну ситуацию на другую, электрическая ёмкость не изменяется при таких отображениях. См. также Отображение Шварца — Кристоффеля.

Величина обратная ёмкости называется эластанс (эластичность). Единицей эластичности является дараф (daraf), но он не определён в системе физических единиц измерений СИ[10].

  1. ↑ Шакирзянов Ф. Н. Ёмкость электрическая // Физическая энциклопедия / Гл. ред. А. М. Прохоров. — М.: Советская энциклопедия, 1990. — Т. 2. — С. 28—29. — 704 с. — 100 000 экз. — ISBN 5-85270-061-4.
  2. ↑ 1 2 Jackson, J. D. Classical Electrodynamics (неопр.). — Wiley, 1975. — С. 80.
  3. ↑ Binns; Lawrenson. Analysis and computation of electric and magnetic field problems (англ.). — Pergamon Press (англ.)русск., 1973. — ISBN 978-0-08-016638-4.
  4. ↑ 1 2 Maxwell, J. C. A Treatise on Electricity and Magnetism (неопр.). — Dover, 1873. — С. 266 ff. — ISBN 0-486-60637-6.
  5. ↑ Rawlins, A. D. Note on the Capacitance of Two Closely Separated Spheres (англ.) // IMA Journal of Applied Mathematics (англ.)русск. : journal. — 1985. — Vol. 34, no. 1. — P. 119—120. — DOI:10.1093/imamat/34.1.119.
  6. ↑ Jackson, J. D. Classical Electrodynamics (неопр.). — Wiley, 1975. — С. 128, problem 3.3.
  7. ↑ Maxwell, J. C. On the electrical capacity of a long narrow cylinder and of a disk of sensible thickness (англ.) // Proc. London Math. Soc. : journal. — 1878. — Vol. IX. — P. 94—101. — DOI:10.1112/plms/s1-9.1.94.
  8. ↑ Vainshtein, L. A. Static boundary problems for a hollow cylinder of finite length. III Approximate formulas (англ.) // Zh. Tekh. Fiz. : journal. — 1962. — Vol. 32. — P. 1165—1173.
  9. ↑ Jackson, J. D. Charge density on thin straight wire, revisited (неопр.) // Am. J. Phys. — 2000. — Т. 68, № 9. — С. 789—799. — DOI:10.1119/1.1302908. — Bibcode: 2000AmJPh..68..789J.
  10. ↑ Тензорный анализ сетей, 1978, с. 509.

Электрическое поле — Википедия

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Электрическое поле — одна из двух компонент электромагнитного поля, представляющая собой векторное поле[1], существующее вокруг тел или частиц, обладающих электрическим зарядом, а также возникающее при изменении магнитного поля (например, в электромагнитных волнах). Электрическое поле непосредственно невидимо, но может быть обнаружено благодаря его силовому воздействию на заряженные тела[2].

Для количественного определения электрического поля вводится силовая характеристика — напряжённость электрического поля — векторная физическая величина, равная отношению силы, с которой поле действует на положительный пробный заряд, помещённый в данную точку пространства, к величине этого заряда. Направление вектора напряженности совпадает в каждой точке пространства с направлением силы, действующей на положительный пробный заряд.

В классической физике, применимой при рассмотрении крупномасштабных (больше размера атома) взаимодействий, электрическое поле рассматривается как одна из составляющих единого электромагнитного поля и проявление электромагнитного взаимодействия. В квантовой электродинамике — это компонент электрослабого взаимодействия.

В классической физике система уравнений Максвелла описывает взаимодействие электрического поля, магнитного поля и воздействие зарядов на эту систему полей.

Основным действием электрического поля является силовое воздействие на неподвижные относительно наблюдателя электрически заряженные тела или частицы. На движущиеся заряды силовое воздействие оказывает и магнитное поле (вторая составляющая силы Лоренца).

Электрическое поле обладает энергией. Плотность этой энергии определяется величиной поля и может быть найдена по формуле

u=12(E→D→),{\displaystyle u={\frac {1}{2}}\left({\vec {E}}{\vec {D}}\right),}

где E — напряжённость электрического поля, D — индукция электрического поля.

Однородное поле[править | править код]

u={\frac {1}{2}}\left({\vec E}{\vec D}\right), Направление линий напряжённости между двумя разнозаряженными пластинами

Однородное поле — это электрическое поле, в котором напряжённость одинакова по модулю и направлению во всех точках пространства. Приблизительно однородным является поле между двумя разноимённо заряженными плоскими металлическими пластинами. В однородном электрическом поле линии напряжённости направлены параллельно друг другу.

Наблюдение электрического поля в быту[править | править код]

Для того, чтобы создать электрическое поле, необходимо создать электрический заряд. Натрите какой-нибудь диэлектрик о шерсть или что-нибудь подобное, например, пластиковую ручку о собственные чистые волосы. На ручке создастся заряд, а вокруг — электрическое поле. Заряженная ручка будет притягивать к себе мелкие обрывки бумаги. Если натирать о шерсть предмет большей ширины, например, резиновую ленту, то в темноте можно будет видеть мелкие искры, возникающие вследствие электрических разрядов.

Электрическое поле часто возникает возле телевизионного экрана (относится к телевизорам с ЭЛТ) при включении или выключении телеприёмника. Это поле можно почувствовать по его действию на волоски на руках или лице.

Электрическое поле внутри проводников с избыточными зарядами[править | править код]

Из опытов, приводимых в электростатике, известно, что избыточные заряды привнесённые в проводник извне, перемещаются к поверхности проводника и остаются у поверхности проводника. Само перемещение избыточных зарядов к поверхности проводника свидетельствует о наличии электрического поля внутри проводника в период перемещения к поверхности проводника.

Электрическое поле внутри проводников с недостатком собственных электронов[править | править код]

При недостатке собственных электронов тело получает положительный заряд «дырочной» природы. Дырки при этом ведут себя подобно электронам и также распределяются по поверхности тела.

Расчёты электрического поля можно проводить аналитическими[3][4][5] или численными методами[6]. Аналитические методы удается применить лишь в простейших случаях, на практике в основном используются численные методы. Численные методы включают в себя: метод сеток или метод конечных разностей; вариационные методы; метод конечных элементов; метод интегральных уравнений; метод эквивалентных зарядов[6].

  • Орир, Джей — Популярная физика: [пер. с англ.].: Мир, 1966. — 446 с.
  • Учебник «Элементарный учебник физики» под ред. Ландсберга Г. С., Часть 2 (Электричество и магнетизм.)
  • Трофимова Т. И. Курс физики: Учеб. пособие для вузов.—2-е изд., перераб. и доп.— М.: Высш. шк., 1990.—478 с.: ил. ISBN 5-06-001540-8

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *