Закон Кулона

Часть 2. «Электричество и магнетизм»

Количество аудиторных часов всего –68 часов. Из них лекционных – 28 часов, практических – 26 часов, лабораторных – 14 часов.

В течение семестра курсанты пишут реферат « по разделам «Электричество» и «Магнетизм, электромагнитная индукция»», выполняют 5 лабораторных работ с оформлением отчета и сдачей зачета по теоретической части, на практических занятиях выполняют 12 самостоятельных работ. Завершает семестр – зачет. Где учитываются результаты работы студента в течение семестра.

Вопросы к зачёту

  1. Электрический заряд. Дискретность заряда. Идея близкодействия.

  2. Закон Кулона.

  3. Электрический заряд и напряжённость электрического поля.

  4. Принцип суперпозиции. Расчет электрических полей на основе принципа суперпозиции.

  5. Линии вектора напряженности.

  6. Поток вектора напряженности.

  7. Теорема Гаусса.

  8. Применение теоремы Гаусса.

  9. Работа сил электрического поля. Циркуляция электростатического поля.

  10. Потенциал электростатического поля.

  11. Связь между напряженностью и потенциалом электростатического поля.

  12. Расчет потенциала и разности потенциалов в электростатическом поле.

  13. Проводники, диэлектрики и полупроводники. Полярные и неполярные молекулы.

  14. Поляризация диэлектриков.

  15. Электрическое поле в диэлектриках.

  16. Индукция электрического поля.

  17. Поляризация деформационная и ориентационная.

  18. Сегнетоэлектрики, их свойства. Домены.

  19. Пьезоэлектрический эффект. Электрострикция.

  20. Распределение зарядов в проводнике.

  21. Явление электростатической индукции.

  22. Электроемкость проводников.

  23. Взаимная электропроводность. Конденсатор.

  24. Соединение конденсаторов.

  25. Собственная энергия проводника и конденсатора.

  26. Энергия электрического поля.

  27. Понятие об электрическом поле.

  28. Закон Ома для однородного участка цепи.

  29. Закон Джоуля-Ленца.

  30. Последовательное и параллельное соединение проводников.

  31. Электродвижущая сила источника тока, разность потенциалов, напряжение . Закон Ома для неоднородного участка цепи в интегральной и дифференциальной форме.

  32. Разветвленные цепи. Правила Кирхгофа.

  33. Явление сверхпроводимости.

  34. Природа носителей зарядов металлов.

  35. Классическая теория электропроводимости металлов.

  36. Вывод закона Ома из классических электронных представлений.

  37. Вывод закона Джоуля-Ленца из классических электронных представлений.

  38. Закон Видема-Франца и его объяснение электронной теории.

  39. Затруднения классической электронной теории металлов.

  40. Основные положения квантовой теории металлов.

  41. Квантование энергии свободных электронов в металлах.

  42. Работы выхода.

  43. Термоэлектронная эмиссия

  44. Контактная разность потенциалов.

  45. Термоэлектрические явления (явление Зеебека, явление Пельтье).

  46. Электромагнитное взаимодействие движущихся электрических зарядов.

  47. Закон магнитного взаимодействия элементов тока.

  48. Индукция магнитного тока.

  49. Закон Био-Савара-Лапласа.

  50. Применение закона Био-Савара-Лапласа к расчету магнитных полей.

  51. Циркуляция вектора магнитной индукции. Вихревой характер магнитного поля.

  52. Применение теоремы о циркуляции к расчёту магнитных полей.

  53. Магнитное поле в веществе.

  54. Напряженность магнитного поля.

  55. Закон Ампера. Применение закона Ампера к некоторым задачам.

  56. Поток вектора магнитной индукции.

  57. Работа сил магнитного поля.

  58. Закон Лоренца. Движение заряженных частиц в магнитном поле.

  59. Эффект Холла. Устройство, принцип действия МГД генератора.

  60. Движения частиц в электростатическом поле. Отклоняющее и фокусирующее действие электрических полей.

  61. Методы определения удельного заряда электрона.

  62. Явление электромагнитной индукции. Расчёт электродвижущей силы индукции.

  63. Взаимная индукция.

  64. Самоиндукция.

  65. Установление и исчезновение тока в цепи с индуктивностью.

  66. Энергия магнитного поля.

  67. Магнитные моменты атомов и молекул.

  68. Диамагнетики.

  69. Парамагнетики.

  70. Ферромагнетики и их свойства. Природа ферромагнетизма.

  71. Колебательный контур. Связь величин характеризующих механические и электрические колебания.

  72. Собственные незатухающие электромагнитные колебания.

  73. Собственные затухающие колебания.

  74. Вынужденные колебания. Резонанс.

  75. Система уравнений Максвелла. Координатная форма записи уравнений.

  76. Система уравнений Максвелла для диэлектрика и ее решение.

  77. Волновое уравнение и его решение. Свойства электромагнитных волн.

Кафедра «Естественные науки»

Ю.П. БАЖКОВ, А.И. КРАВЧЕНКО, С.А. ЧУДИЛОВСКАЯ

ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ

ПО ДИСЦИПЛИНЕ «ФИЗИКА»

Раздел «ЭЛЕКТРИЧЕСТВО»

Гомель

2012

Лабораторная работа № 6

ИЗУЧЕНИЕ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОГО ПОЛЯ МЕТОДОМ ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ

Цель работы:

  1. Изучить основные характеристики электростатического поля;

  2. Построить качественную картину плоского электростатического поля для различной формы электродов;

  3. Определить напряженность поля в заданных точках.

Приборы и принадлежности: источник постоянного тока, реостат, вольтметр, ванна с водой, гальванометр, металлический зонд, электроды различной формы.

Теоретические сведения.

Всякое заряженное тело или электрический заряд создают вокруг себя силовое поле, которое называется электростатическим полем.

Количественной характеристикой силового действия поля является напряженность электростатического поля .

Напряженностью электрического поля, создаваемого зарядом q в какой-то точке, называется векторная величина, численно равная силе, действующей со стороны поля на неподвижный пробный единичный положительный заряд, помещенный в рассматриваемую точку поля. Направление вектора совпадает с направлением силы, действующей на положительный заряд.

, (1)

где q0 – пробный электрический заряд, который должен быть столь малым, чтобы его внесение в поле не вызывало перераспределения в пространстве электрических зарядов, напряженность поля которых измеряется с его помощью.

Зная модуль силы взаимодействия двух точечных зарядов (закон Кулона)

, (2)

можно найти модуль напряженности электростатического поля точечного заряда qна расстоянии r от него:

Графически электростатическое поле изображают с помощью линий напряженности (силовых линий), которые проводят так, чтобы касательные к ним в каждой точке пространства совпадали по направлению с вектором напряженности в данной точке поля.

Если поле создается точечным зарядом, то линии напряженности – радиальные прямые, выходящие из заряда, если он положителен, и входящие в него, если заряд отрицательный. Примеры графического изображения электростатических полей различных заряженных тел приведены на рисунке 1.

а) поле точечных зарядов (положительного и отрицательного);

б) поле равномерно заряженной сферы;

в) поле равномерно заряженной плоскости;

г) поле системы 2-х одинаковых по модулю разноименных зарядов.

а) б)

в) г)

Рис.1 Графическое изображение электростатических полей

Чтобы с помощью силовых линий можно было характеризовать не только направление, но и численное значение напряженности электростатического поля, их проводят с такой густотой, чтобы число линий напряженности, пронизывающих единицу площади поверхности, перпендикулярную линиям напряженности, было равно модулю вектора .

Если электростатическое поле создано не одним, а несколькими зарядами, q1, q2, …, qn, то результирующая сила , действующая на пробный единичный положительный заряд q0 в любой точке поля, равна геометрической сумме сил, приложенных к заряду q0 со стороны каждого из зарядов.

Т.к. и ,

где – результирующая напряженность поля системы зарядов, а

– напряженность поля заряда qi.

Тогда или - выражает принцип суперпозиции электростатических полей. (5)

Электростатическое поле является потенциальным, т.к. работа силы по любому замкнутому контуру равна нулю

. (6)

Работа, совершаемая силами электростатического поля при малом перемещении точечного заряда q0 в этом поле, равна убыли потенциальной энергии

или

, откуда следует, что потенциальная энергия точечного заряда в поле заряда q, равна , (7)

где С – произвольная постоянная интегрирования.

Если считать, что при удалении заряда в бесконечность (r→∞) потенциальная энергия обращается в нуль, то С = 0 и потенциальная энергия пробного заряда находящегося на расстоянии r от заряда q, равна . (8)

Физическая величина, равная отношению потенциальной энергии пробного электрического заряда, помещенного в рассматриваемую точку поля, к величине этого заряда называется потенциалом электростатического поля . (9)

Потенциал – энергетическая характеристика поля.

Потенциал поля, создаваемого точечным зарядом, равен

Если электростатическое поле создано системой из n точечных зарядов, то , т.е. при наложении электрических полей, их потенциалы складываются алгебраически. (11)

Работа, совершаемая силами электростатического поля при перемещении пробного заряда из точки 1 в точку 2, равна

если , то .

Следовательно, потенциал в какой-либо точке поля численно равен работе электростатических сил по перемещению пробного единичного положительного заряда из данной точки поля в бесконечность, где потенциал равен нулю.

Т.к. элементарная работа сил электростатического поля на малом перемещении dr равна .

С другой стороны, , тогда , или, в векторной форме,

(13)

т.е. проекция вектора напряженности электростатического поля на произвольное направление численно равна быстроте убывания потенциала поля на единицу длины в этом направлении.

Геометрическое место точек электростатического поля, в которых значения потенциала одинаковы, называется эквипотенциальной поверхностью. Работа, совершаемая силами электростатического поля при перемещении электрического заряда вдоль эквипотенциальной поверхности равна нулю.

, т.к. (14)

Для расчета электростатических полей используем принцип суперпозиции полей и теорему Гаусса.

Принцип суперпозиции полей – универсальный метод расчета любой системы неподвижных зарядов. Если заряд не является точечным, его всегда можно представить в виде совокупности точечных зарядов, но в этом случае вычисления будут связаны с более трудоемкими математическими операциями.

Метод, основанный на использовании теоремы Гаусса, удобен для расчета электростатических полей симметричных систем зарядов. Теорема Гаусса позволяет определить поток вектора напряженности электростатического поля через произвольную замкнутую поверхность.

Потоком вектора напряженности электростатического поля сквозь произвольную замкнутую поверхность, называется величина

, (15)

где - - вектор, модуль которого равен , а направление совпадает с направлением вектора внешней (направленной наружу области, охватываемой поверхностью) нормали . Найдем поток вектора напряженности сквозь сферическую поверхность радиуса r, охватывающую точечный заряд q, находящийся в ее центре

. (16)

Если поверхность произвольной формы охватывает n зарядов, то поток вектора напряженности электростатического поля в вакууме через произвольную замкнутую поверхность равен алгебраической сумме заключенных внутри этой поверхности зарядов, деленной на электрическую постоянную ε0.

– теорема Гаусса. (17)

Применим теорему Гаусса к расчету поля заряда q, равномерно распределенного по поверхности сферы радиуса R с поверхностной плотностью σ.

В качестве гауссовой поверхности S возьмем сферу радиуса r с центром в точке O. (рис. 2)

а) б)

Рис. 2. График зависимости напряженности (а) и потенциала (б) поля равномерно заряженной сферы от расстояния до ее центра.

Тогда . (18)

Если то , т.к. . (19)

Если r<R, qвн=0, E=0 , т.е. внутри заряженной сферы поле отсутствует.

Потенциал поля найдем из формулы связи между потенциалом и напряженностью поля . Поскольку , потенциал поля вне сферы равен . (20)

Внутри заряженной сферы поле отсутствует, так что потенциал всюду одинаков и равен потенциалу на ее поверхности . (21)

  1. Закон Кулона. Напряженность электрического поля. Принцип суперпозиции электрических полей

    Закон
    10. Элементарный электрический заряд. Закон сохранения электрического заряда. Закон Кулона. Напряженность электрического поля. Принцип суперпозиции электрических полей.
  2. 2. Закон Кулона

    Закон
    - Два типа зарядов – положительные и отрицательные. Одноимённо заряженные отталкиваются, разноимённые притягиваются. При электризации трением заряжаются оба тела равными по величине, но разноимёнными зарядами.
  3. 1. Закон Кулона

    Закон
    (т.е. ), то в другой системе отсчета , движущейся относительно К со скоростью , компоненты электромагнитного поля отличны от нуля и связаны соотношением 64
  4. «Уровневая дифференциация на уроках физики». В ходе семинара учителем физики мбоу сош №2 Андреевой О. В. проведены открытые уроки по темам: «Закон Кулона» в 10 классе, «Законы постоянного тока» в 8 классе

    Урок
    Согласно плану работы ИМЦ МКУ ОО с целью распространения повышения профессиональной компетентности учителей 13 марта 2012 года на базе МБОУ СОШ №2 проведен теоретико-практический семинар для учителей физики по теме: «Уровневая дифференциация
  5. Coulomb) Шарль Огюстен (1736-1806), французский инженер и физик, один из основателей электростатики. Исследовал деформацию кру­чения нитей, установил ее законы

    Закон
    КУЛОН (Coulomb) Шарль Огюстен (1736-1806), французский инженер и физик, один из основателей электростатики. Исследовал деформацию кру­чения нитей, установил ее законы.
  6. "законами" движения материи "от простого к сложному", в истмате теория

    Закон
    Б. Ламарка, и Ч. Дарвина и продолжения их идей А. Уоллесом, Э. Геккелем, А. Северцовым, В. Ковалевским и другими, "ученый" мир, хотя и не без споров и трений, но признал теорию эволюции, и в обществе в целом было сформировано
  7. Закон отражения и преломления света. Полное внутреннее отражение

    Закон
    Первоначальное представ­ление о строении вещества принадлежит Демокриту (460-370 годы до н.э.). По Демокриту все тела состоят из очень маленьких частиц - атомов.
  8. Закон сохранения электрического заряда (1)

    Закон
    В системе СИ единица заряда (кулон) является не основной, а производной и определяется через основную единицу для измерения электрических величин – единицу силы тока – ампер: 1 Кл = 1 Ас.
  9. Закон внутри нас. Древние считали: и то и другое неразрывно связаны между собой. Космос обусловливает прошлое, настоящее и будущее человечества и каждого отдельно взятого (1)

    Закон
    Великий немецкий философ Иммануил Кант заметил однажды, что есть всего две вещи, достойные подлинного удивления и восхищения: звездное небо над нами и нравственный

Другие похожие документы..