что значит тело заряжено положительно отрицательно

III. Основы электродинамики

Тестирование онлайн

Электрический заряд

Нам приходится буквально отлеплять одну от другой свежевыстиранные и доставаемые из сушилки вещи, или когда мы никак не можем привести в порядок наэлектризованные и буквально встающие дыбом волосы. А кто не пробовал подвесить воздушный шарик к потолку, после трения его о голову? Подобное притяжение и отталкивание является проявлением статического электричества. Подобные действия называются электризацией.

Рассмотрим атом. Атом состоит из ядра и, летающих вокруг него, электронов (на рисунке синие частицы). Ядро состоит из протонов (красные) и нейтронов (черные).

.

Для того, чтобы имелся свободный протон, необходимо, чтобы разрушилось ядро, а это означает разрушение атома целиком. Такие способы получения электрического заряды мы рассматривать не будем.

Тело становится заряженным, когда оно содержит избыток одних или иных заряженных частиц (электронов, положительных или отрицательных ионов).

Закон сохранения электрического заряда

Алгебраическая сумма электрических зарядов тел или частиц остается постоянной при любых процессах, происходящих в электрически замкнутой системе.

На рисунке пример закона сохранения электрического заряда. На первой картинке два тела разноименного заряда. На втором рисунке те же тела после соприкосновения. На третьем рисунке в электрически замкнутую систему внесли третье нейтральное тело и тела привели во взаимодействие друг с другом.

В каждой ситуации алгебраическая сумма заряда (с учетом знака заряда) остается постоянной.

Главное запомнить

Источник

Электростатика. Взаимодействие зарядов. Два вида электрических зарядов.

Простые опыты по электризации различных тел иллюстрируют следующие положения.

1. Существуют заряды двух видов: положительные (+) и отрицательные (-). Положительный заряд возникает при трении стекла о кожу или шелк, а отрицательный — при трении янтаря (или эбонита) о шерсть.

2. Заряды (или заряженные тела) взаимодействуют друг с другом. Одноименные заряды оттал­киваются, а разноименные заряды притягиваются.

3. Состояние электризации можно передать от одного тела к другому, что связано с переносом электрического заряда. При этом телу можно передать больший или меньший заряд, т. е. заряд имеет величину. При электризации трением заряд приобретают оба тела, причем одно — поло­жительный, а другое — отрицательный. Следует подчеркнуть, что абсолютные величины зарядов наэлектризованных трением тел равны, что подтверждается многочисленными измерениями заря­дов с помощью электрометров.

Элементарный электрический заряд (е) — это наименьший электрический заряд, положи­тельный или отрицательный, равный величине заряда электрона:

Заряженных элементарных частиц существует много, и почти все они обладают зарядом +e или -e, однако эти частицы весьма недолговечны. Они живут меньше миллионной доли се­кунды. Только электроны и протоны существуют в свободном состоянии неограниченно долго.

Протоны и нейтроны (нуклоны) составляют положительно заряженное ядро атома, вокруг которого вращаются отрицательно заряженные электроны, число которых равно числу протонов, так что атом в целом электроцентралей.

В обычных условиях тела, состоящие из атомов (или молекул), электрически нейтральны. Однако в процессе трения часть электронов, покинувших свои атомы, может перейти с одного тела на другое. Перемещения электронов при этом не превышают размеров межатомных расстояний. Но если тела после трения разъединить, то они окажутся заряженными; тело, которое отдало часть своих электронов, будет заряжено положительно, а тело, которое их приобрело, — отрицательно.

Итак, тела электризуются, т. е. получают электрический заряд, когда они теряют или приоб­ретают электроны. В некоторых случаях электризация обусловлена перемещением ионов. Новые электрические заряды при этом не возникают. Происходит лишь разделение имеющихся заря­дов между электризующимися телами: часть отрицательных зарядов переходит с одного тела на другое.

Определение заряда.

Следует особо подчеркнуть, что заряд является неотъемлемым свойством частицы. Частицу без заряда представить себе можно, но заряд без частицы — нельзя.

Проявляют себя заряженные частицы в притяжении (разноименные заряды) либо в отталкивании (одноименные заряды) с силами, на много порядков превышающими гравитационные. Так, сила электрического притяжения электрона к ядру в атоме водорода в 10 39 раз больше силы гра­витационного притяжения этих частиц. Взаимодействие между заряженными частицами называется электромагнитным взаимодействием, а электрический заряд определяет интенсивность электромагнитных взаимодействий.

В современной физике так определяют заряд:

Электрический заряд — это физическая величина, являющаяся источником электрического поля, посредством которого осуществляется взаимодействие частиц, обладающих зарядом.

Источник

Закон сохранения электрического заряда

Статья находится на проверке у методистов Skysmart.
Если вы заметили ошибку, сообщите об этом в онлайн-чат
(в правом нижнем углу экрана).

Электрический заряд

Электрический заряд — это физическая величина, которая определяет способность тел создавать электромагнитное поле и принимать участие в электромагнитном взаимодействии.

Мы состоим из клеток, клетки состоят из молекул, молекулы в свою очередь состоят из атомов, а атомы — из ядра и электронов. Ядро состоит из протонов и нейтронов.

Протон — это частица, которая заряжена положительно, нейтрон — нейтрально, а электрон — отрицательно. Электрон вращается по орбитам, которые во много раз больше, чем размер электрона.

Размер электрона с размером орбиты можно сравнить так: представьте футбольный мяч и футбольное поле. Во сколько раз поле больше мяча, во столько же раз орбита больше, чем электрон.

Как мы уже выяснили, электрические заряды бывают положительными и отрицательными. Одноименные заряды отталкиваются, разноименные притягиваются:

А вот измерять Электрический заряд мы будем в Кулонах [Кл]. Нет, не тех, что болтаются на цепочке. Шарль Кулон — это физик, который изучал электромагнитные явления.

Электризация

Чтобы разобраться с тем, как тело приобретает электрический заряд и сохраняет его, нам для начала нужно поближе познакомится с протоном и электроном. Протон — ленивый и неповоротливый — он точно не будет никуда перемещаться, если мы не переместим атом целиком.

А вот электрон — парень подвижный, и ему перебежать с одного атома на другой — ничего не стоит.

Мы поговорим о двух типах электризации: электризация соприкосновением и электризация трением.

Свободные электроны переходят с незаряженного тела на нейтральное. А если мы возьмем положительно заряженное тело вместо отрицательного, то свободные электроны перейдут с нейтрального тела, чтобы уравновесить заряды.

Электроны переходят от одного тела к другому и в отличии от электризации соприкосновением заряжаются противоположными по знаку и равными по модулю зарядами.

То есть при соприкосновении заряд раздают одного знака и поровну. Как если бы ты поделился с другом конфетами, которых у тебя с избытком.

При трении наоборот — заряды у тел будут разных знаков, но также в одинаковом количестве. Например, у вас есть равное количество денег в рублях и долларах, и у меня аналогичная ситуация с той же суммой. Вы решили лететь в США, а мне как раз доллары не нужны. Чтобы не ходить в банк, мы можем просто поменяться. Тогда у вас будут только доллары, а у меня — только рубли. Главное, договориться про курс 🙂

Давайте решим пару задач по этой теме.

Задачка один

Из какого материала может быть сделан стержень, соединяющий электрометры, изображённые на рисунке?

Решение:

Он может быть сделан либо из проводника, либо из диэлектрика. Проводник пропускает через себя заряды, а диэлектрик — нет. Если мы посмотрим на показания электрометров, то увидим, что они отличаются.

Как мы помним, при соприкосновении заряды уравниваются по величине (один электрометр делится конфетами с другим). В данном случае никто ни с кем не делился, это значит, что стержень не пропускает — он диэлектрик. И стекло, и эбонит являются диэлектриками. Значит подходят оба варианта!

Задачка два

В процессе трения о шёлк стеклянная линейка приобрела положительный заряд. Как при этом изменилось количество заряженных частиц на линейке и шёлке при условии, что обмен при трении не происходил?

А) количество протонов на стеклянной линейке

Б) количество электронов на шёлке

Решение:

Вспомните, как мы охарактеризовали протон: он ленивый и неподвижный! Значит количество протонов ни на стеклянной линейке, ни на шелке измениться просто не может. Мы же не отламываем кусок линейки вместе с атомами, из которых она состоит. А вот электроны охотно перемещаются. Нам известно, что линейка приобрела положительный заряд. Получается, электроны сбежали от нее к шелку. Следовательно, количество электронов на шелке увеличилось.

Классический курс физики для 10 класса поможет разобраться в законе сохранения заряда и других непростых темах.

Электростатическая индукция

Кажется, с электризацией разобрались. Теперь разберемся, что произойдет, если мы поднесем одно тело к другому, но не вплотную. Произойдет такое явление, как электростатическая индукция — явление перераспределения зарядов в нейтрально заряженных телах.

Давай разбираться на примере задачи:

На нити подвешен незаряженный металлический шарик. К нему снизу поднесли положительно заряженную палочку. Как изменится при этом сила натяжения нити?

Решение:

Здесь важно подчеркнуть, что незаряженный — значит заряжен нейтрально. То есть в теле равное количество положительных и отрицательных зарядов.

Электроны металлического шарика будут притягиваться к поднесенной положительной палочке. В результате шарик притягивается к палочке, следовательно, сила натяжения нити увеличивается.

Ответ: сила натяжения нити увеличивается

Поляризация диэлектрика

Давайте возьмем два, на первый взгляд, одинаковых задания из ЕГЭ.

Задание 1

Если к незаряженному металлическому шару поднести, не касаясь, точечный положительный заряд, то на стороне шара, ближайшей к заряду, появится отрицательный заряд. Как называется это явление?

Мы только что это разобрали: то электростатическая индукция.

Задание 2

Если к незаряженному диэлектрическому шару поднести, не касаясь, точечный положительный заряд, то на стороне шара, ближайшей к заряду, появится отрицательный заряд. Как называется это явление?

Кажется, что очень похоже на электростатическую индукцию, но это явление будет называться поляризация. В чем разница:

В первом случае — это проводник, а во втором — диэлектрик. Если не вдаваться в подробности, то поляризация диэлектрика — процесс, очень похожий по природе своей на электростатическую индукцию, только происходит в непроводящих материалах.

Закон сохранения электрического заряда

И последнее, о чем мы сегодня поговорим — этот закон сохранения заряда

Алгебраическая сумма зарядов электрически замкнутой системы сохраняется.

Закон сохранения заряда

q1 + q2 + q3 + … + qn = const

q1, q2, q3, …, qn — заряды электрически замкнутой системы [Кл]

Задачка раз

Решение:

Для решения этой задачи нам нужно найти алгебраическую сумму зарядов.

Это суммарный заряд шариков и до, и после и во время взаимодействия.

Так как суммарный заряд сохраняется, но шарики соприкоснулись, суммарный заряд разделится между всеми шариками поровну. То есть нам нужно суммарный заряд просто поделить на количество шариков — на 2.

И это ответ к нашей задаче.

Задачка два

Металлическая пластина, имевшая положительный заряд, по модулю равный 10е, при освещении потеряла шесть электронов. Каким стал заряд пластины?

Решение:

q = q₀ — 6(— e) = 10e + 6e = 16e

Красный знак «минус» образуется из-за того, что мы «отнимаем» электроны, а зеленый — из-за того, что электрон отрицательный. «Минус на минус» дает плюс, поэтому мы получаем 10e + 6e = 16е.

Ответ: 16е

Задачка три

Решение:

По закону сохранения заряда сумма зарядов в замкнутой системе остается постоянной.

Два шарика привели в соприкосновение и развели, значит их суммарный заряд разделится между шариками поровну.

Ответ: заряды шариков равны 2q.

Закон Кулона и связь с гравитацией

Мы уже упоминали Шарля Кулона. В честь него названа единица измерения заряда — Кулон. Он придумал закон о взаимодействии зарядом.

Закон Кулона

k — коэффициент пропорциональности

E₀= 8,85 * 10-12Н*м²/Кл² — электрическая постоянная

E — диэлектрическая проницаемость среды — показывает во сколько раз сила электростатического взаимодействия в вакууме больше силы в среде (в вакууме равна 1)

q1 — заряд первого тела [Кл]

q2 — заряд второго тела [Кл]

r — расстояние между телами [м]

F — сила электростатического взаимодействия (кулоновская) [Н]

Мы уже знаем, что заряды бывают положительными и отрицательными. Одноименные заряды отталкиваются, а разноименные — притягиваются. Это значит, что сила направлена туда же, куда заряд будет стремиться двигаться.

Например, у положительного заряда сила будет направлена в сторону отрицательного, если он есть где-то поблизости, и от положительного, так как одноименные заряды отталкиваются.

Согласно третьему закону Ньютона, силы одной природы возникают попарно, равны по величине, противоположны по направлению. Если взаимодействуют два неодинаковых заряда, сила, с которой больший заряд действует на меньший (В на А) равна силе, с которой меньший действует на больший (А на В).

Интересно, что у различных законов физики есть некоторые общие черты. Вспомним закон тяготения. Сила гравитации также обратно пропорциональны квадрату расстояния, но уже между массами. И невольно возникает мысль, что в этой закономерности таится глубокий смысл. До сих пор никому не удалось представить тяготение и электричество, как два разных проявления одной и той же сущности.

Сила и тут изменяется обратно пропорционально квадрату расстояния, но разница в величине электрических сил и сил тяготения поразительна. Пытаясь установить общую природу тяготения и электричества, мы обнаруживаем такое превосходство электрических сил над силами тяготения, что трудно поверить, будто у тех и у других один и тот же источник. Нельзя говорить, что одно действует сильнее другого, ведь все зависит от того, какова масса и каков заряд.

Рассуждая о том, насколько сильно действует тяготение, мы не вправе говорить: «Возьмем массу такой-то величины», потому что мы выбираем ее сами. Но если мы возьмем то, что предлагает нам сама Природа: ее собственные числа и меры, которые не имеют ничего общего с нашими дюймами, годами — с любыми нашими мерами, вот тогда мы можем сравнивать.

Мы возьмем элементарную заряженную частицу, например, электрон. Две элементарные частицы, два электрона, за счет электрического заряда отталкивают друг друга с силой, обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними, а за счет гравитации притягиваются друг к другу опять-таки с силой, обратно пропорциональной квадрату расстояния.

Закон Всемирного тяготения

G= 6,67 * 10⁻¹¹*11м³/кг*c² — гравитационная постоянная

m1 — масса первого тела [кг]

m2 — масса второго тела [кг]

r — расстояние между телами [м]

F — сила гравитационного притяжения [Н]

Тяготение относится к электрическому отталкиванию, как единица к числу с 42 нулями. Да, это огромное число! Исследователи перебирали все большие числа, чтобы понять — откуда это взялось. Одно из таких больших чисел — это отношение диаметра Вселенной к диаметру протона — как ни удивительно, это тоже число с 42 нулями. Нормально так перебрали.

Если вы смотрели Рика и Морти, то знаете о теории параллельных вселенных и о том, что эти вселенные расширяются. Из-за расширения вселенной постоянная сила тяготения меняется. Хотя эта гипотеза еще не опровергнута, у нас нет никаких свидетельств в ее пользу. Наоборот, некоторые данные говорят о том, что постоянная сила тяготения не менялась таким образом. Это громадное число по сей день остается загадкой.

От расширяющихся вселенных и мультиков перейдем к чему-то более приземленному — к задачам.

Задачка раз

Расстояние между двумя точечными электрическими зарядами уменьшили в 3 раза, каждый из зарядов увеличили в 3 раза. Во сколько раз увеличился модуль сил электростатического взаимодействия между ними?

Решение:

Возьмем закон Кулона.

Если расстояние уменьшилось в 3 раза, то знаменатель уменьшился в 9 раз. Каждый из зарядов увеличился в три раза, значит числитель увеличился в 9 раз. Уменьшаем знаменатель в 9 раз, тем самым увеличивая всю дробь в 9 раз, увеличиваем числитель в 9 раз, получаем, что вся дробь увеличилась в 81 раз. И это ответ.

Ответ: модуль сил электростатического взаимодействия увеличится в 81 раз.

Задачка два (последняя!)

Два одинаковых маленьких отрицательно заряженных металлических шарика находятся в вакууме на достаточно большом расстоянии друг от друга. Модуль силы их кулоновского взаимодействия равен F₁. Модули зарядов шариков отличаются в 5 раз.

Если эти шарики привести в соприкосновение, а затем расположить на прежнем расстоянии друг от друга, то модуль силы их кулоновского взаимодействия станет равным F₂. Определите отношение F₂ к F₁.

Решение:

Для начала найдем заряд шариков после соприкосновения.

Теперь по закону кулона найдем силу F2

И находим отношение сил

Ответ: отношение сил равно 1,8

Источник

Электростатика

Предварительно рекомендуется сходить на страницу «Химия».

Курсивом выделены дополнительные разъяснения и отклонения от темы.

Все тела состоят из атомов примерно такого вида:

Ядро атома содержит протоны, заряженные положительно (+).

Вокруг ядра вращаются электроны, заряженные отрицательно (-).

Модули (величины) зарядов протонов и электронов равны.

Если же у какого-либо тела количество зарядов одного знака не совпадает с количеством зарядов противоположного знака, оно является заряженным.

Заметим, что протоны связаны ядрами атомов и не могут покинуть тело, а электроны, находящиеся на самой удаленной от ядра орбите (валентные электроны) вполне способны убежать от атома. Поэтому заряд тела зависит от того, сколько электронов его покинуло. Или сколько тело содержит избыточных электронов.

Если тело покинет часть электронов, получится, что в нем осталось больше протонов. Стало быть, тело заряжено положительно. Если на теле избыток электронов, тело заряжено отрицательно.

Чем больше излишек или дефицит электронов на теле, тем больше его заряд.

Заряд как протона так и электрона элементарный (минимальный существующий в природе), равный 1,6*10^-19 Кл. Меньшего заряда у чего-либо быть не может.

Так решили: заряд именно такого количества электронов называть 1 кулон.

Заряженное тело создает вокруг себя электрическое поле, и реагирует на чужие электрические поля следующим образом: притягивается к телам, имеющим противоположный заряд (тело с излишком электронов притягивается к телу с дефицитом электронов) и отталкивается от тел, заряженных так же как оно само (минус отталкивается от минуса, плюс от плюса). В общем, ведет себя гетеросексуально.

Заряженное тело взаимодействует и с магнитным полем, но только тогда, когда тело движется относительно магнитного поля. Чем больше заряд тела, тем сильнее оно взаимодействует с электрическими и магнитными полями.

Наэлектризовать тело проще всего потерев его об другое.

При этом часть электронов тела, удерживающего их слабее, перейдут на тело, удерживающее электроны сильнее. Почитайте про электроотрицательность тут.

Как упоминалось выше, заряженные тела либо притягиваются друг к другу, либо отталкиваются.

Сила их взаимодействия описывается законом Кулона

По формуле видно, что если хотя бы одно тело не заряжено (q1 или q2 = 0), никакой силы взаимодействия не будет.

Почему сила взаимодействия убывает пропорционально квадрату расстояния r между ними? Потому, что пропорциональна квадрату радиуса площадь сферы:

А почему заряды в формуле перемножаются, а не, допустим, складываются?

Заметим, что закон Кулона практически копирует закон всемирного тяготения:

Тоже есть коэффициент, произведение двух масс (вместо произведения двух зарядов) и квадрат расстояния между ними.

Между прочим, человек способен определить наличие сильного электрического поля. Если провести тыльной стороной ладони возле сильно наэлектризованного тела, можно почувствовать, как шевелятся на ней волоски. Если они есть.

Такой же подход используется для измерения параметров электрического поля: о нем судят по силе, с которой оно притягивает (или отталкивает) пробный положительный заряд:

E = F/q.

Раз заряд на пружинке положительный, а тянет его вниз, значить, силовые линии внешнего электрического поля направлены сверху вниз. То есть, плюс поля вверху, минус внизу. Пробник отталкивается от одноименного заряда и тянется к противоположному.

Почему формула напряженности поля имеет именно такой вид? Что, если взять пробный заряд, допустим, вдвое больше?

Тогда ровно в два раза вырастет и сила, с которой поле действует на заряд. А значит, соотношение действующей на заряд силы и величины этого заряда останется прежним: E = 2F/2q = F/q.

Можем записать эту формулу иначе: F = E*q.

Как и в случае измерения гравитации, пробный заряд должен быть небольшим, чтобы не вносить искажения в само электрическое поле.

В самом деле: килограммовая гиря позволит измерить гравитацию земли. Но если попытаться использовать в качестве гири Луну, станет заметным влияние ее массы. А нам нужно узнать, с какой силой Земля притягивает предметы (измерить ее гравитационное поле), а не то, с какой силой притягиваются друг у другу два массивных тела.

Если рядом находятся тела с зарядами противоположных знаков, часть силовых линий начинается на положительных зарядах и кончается на отрицательных (б).

У одноименных точечных зарядов линии примерно такие же, но «расходящиеся» в зоне между зарядами (в).

Не забываем: силовые линии показывают траекторию движения положительного пробного заряда.

Заметно, что густота линий падает с удалением от зарядов. Но так бывает не всегда.

Такая же картина бывает вблизи плоской пластины большой площади. Силовые линии параллельны друг другу, и электрическое поле (его напряженность) E не меняется на довольно большом расстоянии от нее.

Принцип суперпозиции

Вроде, видно, что поля этих двух тел влияют друг на друга? Иначе почему силовые линии такие кривые?

Попробуем понять, почему линии имеют такую форму. Допустим, пробник (маленький серый кружочек на рисунке) находится на поверхности правого тела, в точке, где начинается его левая верхняя силовая линия. Так как тело и пробник заряжены одинаково, последний оттолкнется от поверхности тела и начнет движение в направлении от центра правого тела, перпендикулярно его поверхности. В этот момент влияние правого тела на пробник велико (так как находится близко), влияние левого тела пока незаметно (мы помним: поля точечных зарядов убывают пропорционально квадрату расстояния от них). По мере же удаления пробника от правого тела, влияние последнего убывает, зато растет влияние левого тела (которое тоже отталкивает пробник). В итоге, пробнику «некуда деться», кроме как наверх: его толкают и справа и слева. Что и демонстрируют силовые линии. Индивидуальные же силовые линии обоих тел как были, так и остаются радиальными (направленными от центра в стороны, как лучи Солнца).

Можно изобразить силы, действующие на пробники в виде векторов (стрелочек). Направление вектора покажет направление силы, длина вектора показывает размер этой силы.

переместить из вакуума в дистиллированную воду ( ε воды = 81), правая пружинка растянется в 81 раз меньше! Уменьшает диэлектрик взаимодействие зарядов. Если поместить диэлектрик с большим ε между обкладок конденсатора (прибора, хранящего заряд), этот конденсатор сможет хранить в ε раз больше энергии.

Поверхностная плотность заряда

Вспомним, как выглядят тела при большом увеличении:

Происходит это по простой причине: лишние электроны отталкиваются друг от друга, так как одноименно заряжены. А где электроны будут на максимальном расстоянии друг от друга? На поверхности тела, где же еще.

Поверхностная плотность заряда тела равна отношению заряда к площади поверхности тела.

Две разноименно заряженные пластины

называются электрическим конденсатором. Их электрическое поле выглядит так:

Между пластин силовые линии идут, понятно, от плюса к минусу, а выше и ниже пластин электрического поля нет, ибо поля одной пластины компенсируют поля второй пластины.

Электрический конденсатор хранит не сами электроны, не их избыток или дефицит, а разницу: сколько электронов не хватает на положительной пластине (ее называют обкладкой), столько же лишних электронов на отрицательной пластине. Чтобы зарядить конденсатор, требуется перегнать часть электронов с одной пластины на другую.

Электрический диполь

В молекуле воды H2O электроны, соединяющие атомы, смещены к атому кислорода O. Поэтому атом кислорода заряжен отрицательно. Атомы же водорода H лишены электронов и потому положительно заряжены (от атомов остались одни протоны).

Проводники

Проводники в электрическом поле.

Мы помним, что проводник содержит подвижные заряженные частицы. Знаем мы и то, что противоположные заряды притягиваются, а одноименные отталкиваются. Исходя из этого можно догадаться, что будет происходить в проводнике, когда он окажется в электрическом поле.

На левой картинке показан металл в отсутствие электрического поля. Положительно заряженные ядра и свободные электроны распределены равномерно. Иначе и быть не может: если в какой-то области металла окажется излишек электронов (такое кратковременное местное изменение концентрации электронов называется флуктуацией), они, за счет взаимного отталкивания, быстро покинут это место. Если возникнет местный дефицит электронов, это будет означать, что положительно заряженных ядер там больше. И электроны притянутся в это область кулоновскими силами.

При появлении внешнего электрического поля (средняя картинка), электроны, понятно, двинутся в направлении «плюса» этого поля, то есть, влево (силовые линии, напомню, рисуют от плюса к минусу поля). Но. Раз часть электронов «ушла налево», справа получился избыток положительно заряженных ядер. То есть, внутри металла образовалось свое электрическое поле за счет перемещения части электронов. А так как «плюс» этого собственного поля справа, а «минус» слева (там, где собрались электроны), значит, собственное электрическое поле проводника направлено встречно внешнему. И в момент, когда внутренне поле сравняется с внешним, движение электронов прекратится (правая картинка показывает равенство внешнего и внутреннего полей). Понятно, что чем сильнее внешнее электрическое поле, тем больше электронов сместится влево.

Перераспределение носителей заряда под воздействием внешнего электрического поля называется электрической индукцией.

Ясно, что отключив внешнее поле, мы восстановим статус кво: электроны покинут левую поверхность и равномерно распределятся по проводнику.

Между прочим, музыку в этом ролике воспроизводят сами молнии: напряжение на катушки Тесла подается со звукового усилителя. Воздух в канале электрического пробоя расширяется за счет нагрева и ионизации, создавая звук. Еще эффектнее смотрятся удары молний в проводящий костюм.

Диэлектрики в электрическом поле.

Чтобы вещество проводило ток, то есть, чтобы в нем могли упорядоченно перемещаться заряды, требуется наличие в веществе носителей этого самого заряда, причем, подвижных. А у диэлектриков их нет. Точнее, сами носители зарядов есть (любое вещество состоит из атомов, а атомы содержат положительно заряженные протоны в ядрах и отрицательно заряженные электроны на орбитах вокруг ядер), но эти носители не могут перемещаться по диэлектрику. В диэлектриках электроны крепко удерживаются атомами, а свободных электронов очень мало. О причинах можно прочитать на странице «химия».

Металлы же при нагреве наоборот, хуже проводят ток. В металлах уже и при низкой температуре достаточно свободных электронов, обеспечивающих проводимость. При увеличении температуры, растет амплитуда колебаний атомов, закрепленных в узлах кристаллической решетки, и электронам труднее продираться сквозь эту решетку.

Полярные и неполярные диэлектрики.

Такой тип поляризации называется ориентационной (поляризация за счет ориентации молекул).

Понятно, что при снятии внешнего электрического поля, произойдет разупорядочивание положения молекул.

Однако есть хитрость: если поляризовать такой диэлектрик в жидком виде, а потом дать ему застыть, молекулы не смогут вернуться в хаотическое состояние. Диэлектрик, длительное время сохраняющий поляризацию, называется электретом. Электрет сам создает внешнее электрическое поле. Подробнее можно прочитать здесь.

Если мы будем очень быстро и часто менять направление внешнего электрического поля, то, за счет постоянной смены направления поляризации, в диэлектрике будет течь ток. Понятно, исключительно переменный. Именно поляризационными токами разогревается пища в СВЧ печке.

Эти заряды являются связанными (с молекулами вещества), то есть, их невозможно снять с поверхности.

Внутри же диэлектрика суммарные заряды равны нулю, а электрические поля поляризованных молекул направлены против внешнего электрического поля. В этом просматривается еще одна аналогия с проводниками. Но если внутри проводника электрического поля нет, внутри диэлектрика оно присутствует, хотя и ослабленное в несколько раз. Например, в дистиллированной воде (мы помним, у нее ориентационная поляризация), электрическое поле уменьшается в 81 раз. Этот коэффициент ослабления внешнего электрического поля называется диэлектрической проницаемостью.

Диэлектрическая проницаемость

Возьмем две разноименно заряженные пластины. Силовые линии между ними направлены от плюса к минусу, длина линий-стрелочек символизирует величину напряженности поля.

Теперь представим, что между пластин у нас есть некие конструкции в виде разнесенных точечных зарядов-шариков на палочках (электрические диполи), способные поворачиваться вокруг собственного центра тяжести.

Если наши пластины заряжены, эти конструкции развернутся понятно как: плюсом к минусовой пластине, минусом к плюсовой. Что теперь получается? На электрическое поле, создаваемое пластинами, накладывается электрическое поле, имеющееся между шариками на палочке (короткие стрелочки вдоль палочек). И это поле направленно противоположно (встречно) полю, создаваемому пластинами. А раз так, напряженность поля между пластин упадет! Поэтому на правом рисунке стрелочки между пластин изображены более короткими.

Работа сил электрического поля.

На заряд, находящийся в электрическом поле, действует сила. Если заряд, поддавшись действию этой силы, начнет перемещаться, значит, поле совершает работу. А как иначе? Если нечто происходит, значит кто-то (или что-то) работает.

Если же мы поднимем кирпич на некоторую высоту, совершенная работа будет равна потенциальной энергии кирпича на этой высоте: E=m*g*h. Массу кирпича в килограммах m умножаем на гравитационную постоянную g (округленно 10) и на высоту подъема в метрах h. И в этом случае энергия кирпича будет равна совершенной работе A в тех же самых джоулях. Видно, что чем больше масса кирпича, сила тяжести на данной планете и высота подъема, тем большую работу мы совершаем. Наша работа описывается формулой

A = m*g*s*cos a

Работа равна произведению массы m, ускорения свободного падения (она же гравитационная постоянная Земли) g, пройденного пути s. Про косинус чуть ниже.

Теперь взглянем на формулу, описывающую работу электрического поля при перемещении заряда, на ту часть формулы, что после второго знака равенства:

Работа электрического поля A равна произведению заряда q, напряженности поля E и изменения расстояния дельта L.

Еще в формуле присутствует косинус. О нем можно прочитать на странице «словарь». Смысл его такой: мы можем поднять наш кирпич вертикально (по линии С В на левом треугольнике), или втащить по наклонной плоскости А В на ту же высоту. Независимо от траектории подъема, высота кирпича в конечной точке В, а значит, и его потенциальная энергия будет одинаковой. Стало быть, и совершенная нами работа одинакова в обоих случаях.

Однако, путь кирпича вверх по по пологой горке длиннее вертикального подъема. Если мы тупо подставим пройденный путь s в формулу

A = F*L*cos a

проигнорировав косинус, выйдет, что чем более пологая горка (чем длиннее наш путь), тем большую работу мы совершили. А это не соответствует действительности (пологий путь более легок хоть и длиннее). Косинус же как раз показывает во сколько раз прямой путь короче пологого подъема (для данного угла). Допустим, наша горка вдвое длиннее прямого пути. Такое соотношение бывает, когда угол между вертикалью и горкой составляет 60 градусов (смотрим в таблице косинусов). Косинус угла 60 градусов равен 1/2, или, что то же самое, 0,5. Допустим, высота подъема 3 метра. Поднимая кирпич вертикально, мы подставляем в формулу эти 3 метра (s). Косинус в этом случае равен единице (cos 0 = 1).

Поднимая же кирпич по шестиметровой горке, мы умножаем ее длину на косинус угла между плоскостью горки и вертикалью, то есть, на 1/2 и получаем в итоге ту же самую тройку.

Теперь все сходится: независимо от траектории, подъем кирпича на одну и ту же высоту означает выполнение одной и той же работы.

По таблице косинусов можно узнать во сколько раз катет С В короче гипотенузы А В для любого угла, к примеру, для правого треугольника с углом 45 градусов.

Понятно, что если кирпич перемещается вниз, работу по его перемещению совершает гравитационное поле. При этом потенциальная энергия кирпича уменьшается.

К перемещению заряда в электрическом поле вышесказанное относится в полной мере: работа электростатических сил при перемещении заряда q в электрическом поле равна убыли потенциальной энергии этого заряда:

Точно так же мерилом работы гравитационного поля земли является убыль потенциальной энергии тела: A_1-2 = W_p1 – W_p2.

Так и работа электростатических сил при перемещении заряда q из точки, где данный заряд обладает потенциальной энергией в точку с нулевой потенциальной энергией равна A = W_p1 = q*φ.

Еще один аспект: наш кирпич, лежащий на земле не обладает потенциальной энергией только по отношению к поверхности земли. Но представьте. что в земле вырыли колодец. По отношению к дну колодца. кирпич обладать энергией уже будет, и падая туда может наделать делов.

Но и кирпич. лежащий на уровне второго этажа имеет энергию только относительно земли. относительно же второго этажа, его энергия равна нулю. Вывод: потенциальная энергия зависит от точки отсчета. От того, какой уровень мы принимаем за ноль.

Потенциал электрического поля.

Вернемся к гравитационно-массовым аналогиям. Определим потенциал гравитационного поля. Назовем его так же: φ. С гравитационной формулой проделаем такой же финт, не забывая, что аналог заряда q для гравитации это масса m

потенциал точки гравитационного поля равен отношению потенциальной энергии тела к массе этого тела. Но так как W_p = m*g*h (формула потенциальной энергии тела), получается, что потенциал поля φ = m*g*h/m.

Берем наш любимый кирпич. Пусть его масса 2 кг.

Умножаем массу кирпича (2 кг) на ускорение свободного падения (грубо 10 м/с^2) и на высоту (5 м). Результат (100) делим на массу того же кирпича (2 кг). Получаем: гравитационный потенциал на уровне подоконника равен 50.

А 50, собственно, чего? В каких единицах мерить? В каких получится, в таких и мерить:

Килограммы в числителе и знаменателе сократятся. Метры тоже. Останется квадрат скорости в знаменателе: 1/с^2. Потенциал равен 50/с^2.

«Википедия» с нами согласна: «Гравитацио́нный потенциа́л — скалярная функция координат и времени, характеризующая гравитационное поле в классической механике. Имеет размерность квадрата скорости, обычно обозначается буквой φ. Гравитационный потенциал равен отношению потенциальной энергии материальной точки, помещённой в рассматриваемую точку гравитационного поля, к массе этой точки.».

Заметим, что мы прекрасно обошлись бы и без кирпича: какой смысл умножать на его массу, а потом на нее же делить? Сократим массу в числителе и знаменателе:

Потенциал равен произведению ускорения свободного падения и высоты данной точки:

Главный вопрос: нахрена? Зачем нам нужно знать потенциал гравитационного поля?

Однако, пора вернуться к электричеству.

1 В = 1 Дж/1 Кл:

«Стекая» же с «высоты» 1 В, заряд в 1 Кл способен совершить работу в 1 Дж.

И груз массой 0,1 кг, спускаясь с метровой высоты, может совершить такую же работу. Точнее, столько же работы.

Можно заметить, что все подоконники одного этажа (и вообще все точки, находящиеся на одной высоте) обладают одинаковым потенциалом. Такие точки называют эквипотенциальными. Поверхности, образованные множеством эквипотенциальных точек, называют эквипотенциальными поверхностями. Например, на географических картах эквипотенциальными являются линии горных высот (изолинии):

Источник