1.Электростатика

1.1. Электрический заряд. Закон сохранения электрического заряда. Проводники, диэлектрики, полупроводники.

Электрический заряд – это физическая величина, характеризующая свойство частиц или тел вступать в электромагнитные силовые взаимодействия.

Электрический заряд обычно обозначается буквами q или Q.

Электростатика – это учение о свойствах и взаимодействии электрических зарядов, неподвижных по отношению к избранной инерциальной системе отсчёта.

Предметом изучения в электростатике является создавае­мое неподвижными зарядами постоянное электрическое поле.

Подобно понятию гравитационной массы тела в механике Ньютона, понятие заряда в электродинамике является первичным, основным понятием.

Совокупность всех известных экспериментальных фактов позволяет сделать следующие выводы:

Существует два рода электрических зарядов, условно названных положительными и отрицательными.

Заряды могут передаваться (например, при непосредственном контакте) от одного тела к другому. В отличие от массы тела электрический заряд не является неотъемлемой характеристикой данного тела. Одно и то же тело в разных условиях может иметь разный заряд.

Одноименные заряды отталкиваются, разноименные – притягиваются. В этом также проявляется принципиальное отличие электромагнитных сил от гравитационных. Гравитационные силы всегда являются силами притяжения.

С современной точки зрения, носителями зарядов являются элементарные частицы. Все обычные тела состоят из атомов, в состав которых входят положительно заряженные протоны, отрицательно заряженные электроны и нейтральные частицы – нейтроны. Протоны и нейтроны входят в состав атомных ядер, электроны образуют электронную оболочку атомов. Электрические заряды протона и электрона по модулю в точности одинаковы и равны элементарному заряду e.

За­ряд элементарной частицы может быть равен 0, + е или -е. Величина е = 1,602 • 10 ^-19 Кл (кулон) есть так называемый элементарный электрический заряд. Если заряд частицы равен нулю, то ее называют нейтральной. В противном случае частицу называют заряженной. Например, электрон е^- считается отрицательно заряженной элементарной частицей: его за­ряд равен - е. В состав атомного ядра входят элементарные частицы, называемые нуклонами. К нуклонам относятся протоны и нейтроны. Протон р имеет заряд +е. Нейтрон п является нейтральной частицей. Таким образом, ядро атома имеет положительный заряд +Ze, где Z -число содержащихся в нем протонов.

Атом состоит из одного ядра и нескольких вращающихся вокруг не­го электронов. Число электронов в атоме равно числу Z протонов в ядре. По определению заряд системы частиц равен алгебраической сум­ме электрических зарядов этих частиц. Поэтому атом в целом является нейтральным.

В нейтральном атоме число протонов в ядре равно числу электронов в оболочке. Это число называется атомным номером. Атом данного вещества может потерять один или несколько электронов или приобрести лишний электрон. В этих случаях нейтральный атом превращается в положительно или отрицательно заряженный ион.

Заряд может передаваться от одного тела к другому только порциями, содержащими целое число элементарных зарядов. Таким образом, электрический заряд тела – дискретная величина:

Физические величины, которые могут принимать только дискретный ряд значений, называются квантованными. Элементарный заряд e является квантом (наименьшей порцией) электрического заряда. Следует отметить, что в современной физике элементарных частиц предполагается существование так называемых кварков – частиц с дробным зарядом и Однако, в свободном состоянии кварки до сих пор наблюдать не удалось.

Закон сохранения электрического заряда. Проводники, диэлектрики, полупроводники.

В некоторых случаях при столкновении атома А с какой-либо другой частицей В (это может быть, например, электрон, фотон или другой атом) от атома могут отделиться один или несколько (n) электронов. Этот процесс называется ионизацией атома. Образовавшуюся при этом частицу называют положительным ионом, или n-кратно ионизованным атомом. Заряд положительного иона равен +пе. Например, при отрыве от атома А одного электрона е^- образуется ион А⁺ с зарядом +е:

A+B А⁺ + е^- +B

При столкновении иона А⁺ с электроном е^- может вновь образоваться нейтральный атом:

А⁺ + е^-  A

Этот процесс называется рекомбинацией.

Иногда нейтральный атом может захватить электрон. При этом обра­зуется частица А^-, называемая отрицательным ионом:

А + е^-  A ^- .

Любое тело (система частиц вещества) состоит в основном из атомов, ионов и отдельных электронов. Поэтому электрический заряд тела равен сумме зарядов ионов и электронов. Если в этой сумме будет преобла­дать заряд положительных ионов, то заряд тела будет положительным. Если же суммарный заряд отрицательных ионов и отдельных электронов будет по величине больше заряда положительных ионов, то тело будет заряжено отрицательно.

Входящие в состав рассматриваемой системы частицы могут активно взаимодействовать между собой. Следствием этих взаимодействий мо­гут быть химические реакции, ионизация, рекомбинация и другие про­цессы, в результате которых изменяется состав частиц. Элементарные частицы участвуют в процессах взаимного превращения одних частиц в другие. Например, фотон высокой энергии (-квант) в электрическом поле атомного ядра или электрона может превратиться сразу в две за­ряженные частицы: электрон е^- и позитрон е⁺ (заряд позитрона равен + е). Этот процесс называют рождением электронно-позитронной пары и условно записывают так:

X+X+ е^-+ е⁺

При столкновении электрона и позитрона происходит их взаимное уни­чтожение (аннигиляция) и образование двух -квантов:

е^-+ е⁺+

При ионизации, рекомбинации, рождении и аннигиляции электронно-позитронной пары, а также, как показывает опыт, и в любых других элементарных процессах выполняется закон сохранения электрического заряда, согласно которому полный (суммарный) заряд частиц, вступаю­щих во взаимодействие, равен заряду частиц, образовавшихся в резуль­тате этого взаимодействия.

Система называется электрически изолированной, если через поверх­ность, которая ее ограничивает, не переносятся заряженные частицы.

Из обобщённых опытных данных был установлен фундаментальный закон природы, впервые сформулированный английским физиком Фарадеем, закон сохранения электрического заряда..

В изолированной системе алгебраическая сумма зарядов всех тел остается постоянной:

q₁ + q₂ + q₃ + ... +q_n = const

Т.е, если система является электрически изолированной, то ее заряд со временем не изменяется:

∑ Q _i =∑ Q'_j (1.1)

где Q_i и Q'_j - заряды частиц, входящих в состав системы в различные моменты времени t₁ и t₂.

Единицей заряда в СИ служит кулон ( Кл). Эта единица выражается через единицу силы тока ампер и секунду, которые являются основными. Следствием закона сохранения заряда в элементарных процессах явля­ется закон сохранения заряда электрически изолированной системы: пол­ный заряд Q электрически изолированной системы со временем не из­меняется. В системе могут протекать различные процессы с участием заряженных частиц. Эти частицы могут перемещаться в пространстве под действием различных сил. в СИ: [Q]= Кл= А*с.

Закон сохранения электрического заряда утверждает, что в замкнутой системе тел не могут наблюдаться процессы рождения или исчезновения зарядов только одного знака. Система называется замкнутой, если она не обменивается электрическими зарядами с внешними телами.

Заряженные частицы создают в пространстве вокруг себя особый вид материи - электрическое поле. Посредством этого поля заряды взаи­модействуют друг с другом. Электрическое поле, создаваемое одним зарядом или системой зарядов, можно обнаружить по его действию на другой заряд, который называют пробным.

Электрический заряд – величина релятивистская, инвариантная, то есть не зависит от выбранной системы отсчёта. А значит, не зависит от того, движется этот заряд или покоится.

Электрический заряд является неотъемлемым свойством элементарных частиц. Элементарные частицы являются носителями положительного или отрицательного электрических зарядов. Кл. Заряд любого тела обусловлен суммой электрических зарядов, входящих в него.

Наличие носителя заряда (электронов и ионов) является условием того, что тело проводит электрический ток. В зависимости от способности проводить электрический ток, тела делятся на:

• проводники

• диэлектрики

• полупроводники.

Проводники – тела, в которых электрический заряд может перемещаться по всему его объёму. Проводники делятся на две группы:

1)проводники первого рода (металлы) – перенос в них электрических зарядов (свободных электронов) не сопровождается химическими превращениями;

2)проводники второго рода (расплавы солей, растворы солей и кислот и другие) – перенос в них зарядов (положительно и отрицательно заряженных ионов) ведёт к химическим изменениям.

Диэлектрики (стекло, пластмасса) – тела, которые не проводят электрический ток, если к этим телам не приложено сильное внешнее электрическое поле; в них практически отсутствуют свободные заряды.

Полупроводники (германий, кремний) – занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. Их проводимость сильно зависит от внешних условий (температура, ионизирующее излучение и т.д.).

Единица электрического заряда – Кулон (Кл) – электрический заряд, проходящий через поперечное сечение проводника при токе в 1 ампер за время 1 секунда.