Шпаргалка по "Физике"

1.Электрический заряд  как количественная характеристика  электрических свойств тела. Дискретность  заряда. Закон сохранения заряда. Закон Кулона. Вектор напряженности  электростатического поля. Принцип  суперпозиции. Графическое изображение  полей. Электрический диполь. Cуществует только два типа электрических зарядов: заряды, подобные возникающим на стекле, потертом о кожу (их назвали положительными), и заряды, подобные возникающим на эбоните, потертом о мех (их назвали отрицательными); одноименные заряды друг от друга отталкиваются, разноименные — притягиваются. Опытным путем американский физик Милликен показал, что электрический заряд дискретен, т. е. заряд любого тела составляет целое кратное от элементарного электрического заряда е (е= 1,6* 10-l9 Кл). Электрон и протон являются соответственно носителями элементарных отрицательного и положительного зарядов. Закон сохранения заряда(Фарадей): алгебраическая сумма электрических зарядов любой замкнутой системы (системы, не обменивающейся зарядами с внешними телами) остается неизменной, какие бы процессы ни происходили внутри этой системы. Единица электрического заряда— кулон (Кл) — электрический заряд, проходящий через поперечное сечение проводника при силе тока I А за время 1 с. Закон Кулона: сила взаимодействия F между двумя неподвижными точечными зарядами, находящимися в вакууме, пропорциональна зарядам и обратно пропорциональна квадрату расстояния  между ними. к==9*10⁹м/Ф. Графически электростатическое поле изображают с помощью линий напряженности — линий, касательные к которым в каждой точке совпадают с направлением вектора Е. Линиям напряженности приписывается направление, совпадающее с направлением вектора напряженности. Линии напряженности никогда не пересекаются. Для однородного поля линии напряженности параллельны вектору напряженности. Если поле создается точечным зарядом, то линии напряженности — радиальные прямые, выходящие из заряда, если он положителен и входящие в него, если заряд отрицателен. Формула выражает принцип суперпозиции (наложения) электростатических полей, согласно которому напряженность Е результирующего поля, создаваемого системой зарядов, равна геометрической сумме напряженностей полей, создаваемых в данной точке каждым из зарядов в отдельности. Принцип суперпозиции позволяет рассчитать электростатические поля любой системы неподвижных зарядов, поскольку если заряды не точечные, то их можно всегда свести к совокупности точечных зарядов. Принцип суперпозиции применим для расчета электростатического поля электрического диполя. Электрический диполь—система двух равных по модулю разноименных точечных зарядов (+ Q, — Q), расстояние между которыми значительно меньше расстояния до рассматриваемых точек поля. Вектор, направленный по оси диполя от отрицательного заряда к положительному и равный расстоянию между ними, называется плечом диполя l. Вектор P=|Q|l, совпадающий по направлению с плечом диполя и равный произведению заряда на плечо, называется электрическим моментом диполя или дипольным моментом.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Поток вектора напряженности  электростатического поля. Теорема  Остроградского-Гаусса для поля  зарядов, находящихся в вакууме.  Применение теоремы Остроградского-Гаусса  к вычислению напряженности заряженной  плоскости, двух разноименно заряженных  плоскостей, бесконечно заряженной  нити. Число линий напряженности, пронизывающих единицу площади поверхности, перпендикулярную линиям напряженности, должно быть равно модулю вектора Е. Тогда число линий напряженности, пронизывающих элементарную площадку dS, равно Е*dS*cos a =  Еn*dS, где Еn — проекция вектора Е на нормаль к площадке dS. Величина dФ_Е = Еn*dS=E*dS называется потоком вектора напряженности через площадку dS. Единица потока вектора напряженности электростатического поля— 1 В*м. Для произвольной замкнутой поверхности S поток вектора Е через эту поверхность Фе=§EndS Формула выражает теорему Гаусса для электростатического поля в вакууме: поток вектора напряженности электростатического поля в вакууме сквозь произвольную замкнутую поверхность равен алгебраической сумме заключенных внутри этой поверхности зарядов, деленной на εо. Применение теоремы Гаусса к расчету некоторых электростатических полей в вакууме:  1. Поле равномерно заряженной бесконечной плоскости. Бесконечная плоскость заряжена с постоянной поверхностной плотностью. Линии напряженности перпендикулярны рассматриваемой плоскости и направлены от нее в обе стороны. В качестве замкнутой поверхности мысленно построим цилиндр, основания которого параллельны заряженной плоскости, а ось перпендикулярна ей. Так как образующие цилиндра параллельны линиям напряженности (cosa = 0), то поток вектора напряженности сквозь боковую поверхность цилиндра равен нулю, а полный поток сквозь цилиндр равен сумме потоков сквозь его основания, т.е. равен 2ES. Заряд, заключенный внутри построенной цилиндрической поверхности, равен σS. Согласно теореме Гаусса, 2ЕS = σS/ εo, откуда Е = σ/2εo. Из формулы вытекает, что Е не зависит от длины цилиндра, т. е. напряженность поля на любых расстояниях одинакова по модулю, иными словами поле равномерно заряженной плоскости однородно. 2. Поле двух бесконечных параллельных разноименно заряженных плоскостей. Пусть плоскости заряжены равномерно разноименными зарядами с поверхностными плотностями +σ и -σ. Поле таких плоскостей найдем как суперпозицию полей, создаваемых каждой из плоскостей в отдельности. На рисунке верхние стрелки соответствуют полю от положительно заряженной плоскости, нижние — от отрицательной плоскости. Слева и справа от плоскостей поля вычитаются (линии напряженности направлены навстречу друг другу), поэтому здесь напряженность поля Е = 0. В области между плоскостями Е= Е₊+Е_-, поэтому результирующая напряженность Е=σ/εo. Таким образом, результирующая напряженность поля в области между плоскостями описывается формулой, а вне объема, ограниченного плоскостями, равна нулю.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Работа сил поля  при перемещении зарядов. Циркуляция  вектора напряженности. Потенциальный  характер электростатического поля. Потенциал. Эквипотенциальные поверхности.  Связь между напряженностью и потенциалом. Работа силы F на элементарном перемещении dl равна Так как d/cosa = dr, то Работа при перемещении заряда Qo из точки 1 в точку 2 не зависит от траектории перемещения, а определяется только положениями начальной / и конечной 2 точек. Следовательно, электростатическое поле точечного заряда является потенциальным, а электростатические силы — консервативными. Данный интеграл называется циркуляцией вектора напряженности. Следовательно, циркуляция вектора напряженности электростатического поля вдоль любого замкнутого контура равна нулю. Силовое поле, обладающее свойством , называется потенциальным.  Потенциал — физическая величина, определяемая работой по перемещению единичного положительного заряда при удалении его из данной точки в бесконечность Единица потенциала — вольт (В). напряженность Е поля равна градиенту потенциала со знаком минус. Знак минус определяется тем, что вектор напряженности Е поля направлен в сторону убывания потенциала.  Для графического изображения распределения потенциала электростатического поля, как и в случае поля тяготения, пользуются эквипотенциальными поверхностями — поверхностями, во всех точках которых потенциал имеет одно и то же значение. Линии напряженности всегда нормальны к эквипотенциальным поверхностям. Эквипотенциальных поверхностей вокруг каждого заряда и каждой системы зарядов можно провести бесчисленное множество. Однако их обычно проводят так, чтобы разности потенциалов между любыми двумя соседними эквипотенциальными поверхностями были одинаковы. Тогда густота эквипотенциальных поверхностей наглядно характеризует напряженность поля в разных точках. Там, где эти поверхности расположены гуще, напряженность поля больше.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4.Распределение зарядов  на изолированном проводнике. Связь  между напряжённостью поля у  поверхности проводника с поверхностной  плотностью зарядов. Явление электростатической  индукции .Электроёмкость проводников.  Конденсаторы и их соединения. Электростатический генератор.  Во всех точках внутри проводника напряженность поля Е=0 , т. е. весь объем проводника эквипотенциален. При статическом распределении зарядов по проводнику вектор напряженности Е на его поверхности должен быть направлен по нормали к поверхности Е=Еn , в противном случае под действием касательной к поверхности проводника компоненты напряженности   заряды должны перемещаться по проводнику. Поверхность проводника также эквипотенциальна, так как для любой точки поверхности. Электростатическая индукция — явление наведения собственного электростатического поля, при действии на тело внешнего электрического поля. Внешнее электрическое поле может значительно исказиться вблизи тела с индуцированным электрическим полем. Электростатическая индукция в проводниках: Перераспределение зарядов в хорошо проводящих металлах при действии внешнего электрического поля происходит до тех пор, пока заряды внутри тела практически полностью не скомпенсируют внешнее электрическое поле. При этом на противоположных сторонах проводящего тела появятся противоположные наведённые(индуцированные) заряды. Электростатическая индукция в диэлектриках: Диэлектрики в электростатическом поле поляризуются. Применение: Наиболее массовое применение находит основанная на данном явлении электростатическая защита приборов и соединительных цепей. Электроемкость проводников: Электроемкость проводников - это физическая величина, характеризующая способность проводника или системы проводников накапливать электрические заряды. Единица электроемкости - фарад (Ф). Сообщенный проводнику заряд Q распределяется по его поверхности так, что напряженность поля внутри проводника равна нулю. Конденсаторы и их соединения: Параллельным называют соединение, когда элементы схемы соединяются друг с другом одноименными концами. Параллельное соединение служит для деления зарядов. Здесь напряжение на конденсаторах одинаковое, но заряд их будет разным; он делится между конденсаторами пропорционально их емкостям: Последовательным называют соединение, когде элементы выстроены друг за другом (паровозиком) без разветвлений. Последовательное соединение служит для деления напряжений. Здесь заряды всех пластин одинаковы по величине, но напряжение делится между конденсаторами пропорционально их емкости: для двух последовательных конден-ов.  ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИЙ ГЕНЕРАТОР- устройство, в котором высокое пост. напряжение создаётся при помощи механич. переноса электрич. зарядов.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5.Энергия системы  неподвижных точечных зарядов,  заряженного проводника, электростатического  поля. Объёмная плотность энергии. Энергия системы неподвижных точечных зарядов. Электростатические силы взаимодействия консервативны; значит, система зарядов обладает потенциальной энергией. Будем искать потенциальную энергию системы двух неподвижных точечных зарядов Q1 и Q2, которые находятся на расстоянии r друг от друга. Каждый из этих зарядов в поле другого обладает потенциальной энергией: поэтому W1 = W2 = W Энергия заряженного уединенного проводника: Энергия заряженного проводника равна той работе, которую необходимо совершить, чтобы зарядить этот проводник: Энергия электростатического поля: Объемная плотность энергии электростатического поля (энергия единицы объема):

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6. Основные группы  диэлектриков (полярные, неполярные). Поляризация  ориентационная и деформационная. Вектор поляризации и его связь  с поверхностной плотностью зарядов. Неполярные диэлектрики (нейтральные) — состоят из неполярных молекул, у которых центры тяжести положительного и отрицательного зарядов совпадают. Следовательно неполярные молекулы не обладают электрическим моментом и их электрический момент p = q • l = 0. Примером практически неполярных диэлектриков, применяемых в качестве электроизоляционных материалов, являются углеводороды, нефтяные электроизоляционные масла, полиэтилен, полистирол и др.  Полярные диэлектрики (дипольные) — состоят из полярных молекул, обладающих электрическим моментом. В таких молекулах из-за их асимметричного строения центры масс положительных и отрицательных зарядов не совпадают. При замещении в неполярных полимерах некоторой части водородных атомов другими атомами или не углеводородными радикалами получаются полярные вещества. Ориентационная поляризация в полярных диэлектриках. Внешнее электрическое поле стремится ориентировать дипольные моменты жестких диполей вдоль направления электрического поля. Этому препятствует хаотическое тепловое движение молекул, стремящееся произвольно «разбросать» диполи. В итоге совместного действия поля и теплового движения возникает преимущественная ориентация дипольных электрических моментов вдоль поля, возрастающая с увеличением напряженности электрического поля и с уменьшением температуры; Электронная (деформационная) поляризация в неполярных диэлектриках. Под действием внешнего электрического поля в молекулах диэлектриков этого типа наводятся индуцированные дипольные моменты, направленные вдоль поля. Тепловое движение молекул не оказывает влияния на электронную поляризацию. В газообразных и жидких диэлектриках практически одновременно с ориентационной происходит и электронная поляризация. Вектор поляризации — векторная физическая величина, наведённый внешним электрическим полем дипольный момент единицы объёма вещества, количественная характеристика диэлектрической поляризации. Обозначается буквой Р, в СИ измеряется в В/м. Диэлектрическая поляризация обусловлена смещением связанных зарядов во внешнем электрическом поле. Если выделить какой либо объём в диэлектрике, то в результате приложения поля на его поверхности могут возникнуть поверхностные электрические заряды . Такие заряды могут возникнуть или благодаря смещению электронной оболочки относительно ядра атома, или же в результате переориентации молекул, которые имеют собственный дипольный момент. Нормальную к поверхности составляющую вектора поляризации определяют как

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

7.Электрическое смещение. Теорема Остроградского-Гаусса для  диэлектриков. Диэлектрическая проницаемость  и её физический смысл. Связь  между диэлектрической проницаемостью  и восприимчивостью. Вектор электрического смещения, который для электрически изотропной среды, по определению, равен  (Кл/м²) . Теорема Остроградского-Гаусса для электростатического поля в диэлектрике:  т. е. поток вектора смещения электростатического поля в диэлектрике сквозь любую замкнутую поверхность равен алгебраической сумме свободных электрических зарядов, заключенных внутри этой поверхности. Диэлектрическая проницаемость, величина, характеризующая диэлектрические свойства среды — её реакцию на электрическое поле. В соотношении D = eЕ, где Е — напряжённость электрического поля, D — электрическая индукция в среде, Д. п. — коэффициент пропорциональности e. В большинстве диэлектриков при не очень сильных полях Д. п. не зависит от поля Е. В сильных электрических полях (сравнимых с внутриатомными полями), а в некоторых диэлектриках (например, сегнетоэлектриках) в обычных полях зависимость D от Е — нелинейная. По физическому смыслу диэлектрическая проницаемость — количественная мера интенсивности процесса поляризации. Поляризация представляет собой смещение связанных зарядов под действием внешнего электрического поля. диэлектрическая восприимчивость æ вещества, характеризующая свойства диэлектрика; æ - величина безразмерная; притом всегда æ > 0 и для большинства диэлектриков (твердых и жидких) составляет несколько единиц. ДИЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ВОСПРИИМЧИВОСТЬ коэффициент пропорциональности c между поляризацией P среды (дипольный момент единицы объема) и напряженностью E внешнего электрического поля: Р = cE.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

8.Зависимость диэлектрической  проницаемости от температуры.  Сегнетоэлектрики. Их основные свойства. Пьезоэлектрический, электрострикционный  эффекты и их применения. Электреты.