Электростатика — раздел физики, изучающий электрические поля неподвижных зарядов (заряженных тел).

Электрический заряд (q) — физическая величина, определяющая электромагнитное взаимодействие тел. Единица заряда — кулон (Кл). Заряд может быть положительным, отрицательным, нулевым.



1 кулон — заряд, протекающий через поперечное сечение проводника за 1 с при силе тока 1 А.

Элементарный электрический заряд:

Е* 1,602-Ю"19 Кл.

Закон сохранения электрического заряда. Полный заряд замкнутой системы тел — алгебраическая сумма зарядов всех тел — постоянен.

Электроскоп — демонстрационный прибор для обнаружения и измерения электрического заряда.

Точечный заряд — модель заряженного тела, линейные размеры которого пренебрежимо малы по сравнению с расстоянием до других заряженных тел, с которыми он взаимодействует, т. е. это материальная точка, имеющая заряд. Точечный заряд часто называют просто зарядом.

Закон Купона. Сила электрического взаимодействия между точечными зарядами прямо пропорциональна произведению величин зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. В вакууме равна:

Электрическая постоянная.

Электрическое поле — вид материи, порождается зарядами и проявляет себя в действии как на движущиеся, так и на неподвижные заряды.

Напряженность электрического поля (Е) — физическая величина, равная отношению силы, действующей на заряд в данной точке поля, к величине этого заряда:

Единица напряженности — вольт на метр (В/м). Напряженность — силовая характеристика поля.

Линии напряженности электрического поля (силовые линии). Линии, касательные к которым в каждой точке поля совпадают по направлению с

- i

Вектором Е в этой точке. Силовые линии не пересекаются. Для электростатического поля силовые линии начинаются на положительных зарядах и заканчиваются на отрицательных. Чем сильнее электрическое поле, тем больше напряженность, тем ближе друг к другу расположены силовые линии.

Однородное электрическое поле — поле, в котором в любой точке напряженность одинакова по модулю и направлению. Силовые линии этого поля параллельны.

Напряженность электрического поля неподвижного точечного заряда выражается формулой:

В = — 4’

4яе0 г2

Где 80 = 8,85 • 10-12 Ф/м — электрическая постоянная, q — заряд (Кл), г — расстояние от заряда до данной точки поля (м).

Принцип суперпозиции полей. Поля не взаимодействуют в вакууме, поэтому напряженность поля, создаваемого несколькими зарядами, равна сумме напряженностей полей каждого из зарядов.

Проводники — вещества, в которых есть заряженные частицы, способные перемещаться под действием поля. Например, металлы, электролиты, плазма.

Диэлектрики — вещества, в которых нет свободных зарядов.

Работа сил электрического поля. Электрическое поле является потенциальным, т. е. работа кулоновских сил (сил электрического взаимодействия) по перемещению заряда не зависит от формы траектории и определяется начальным и конечным положениями тела.

Потенциал электрического поля (ф) — физическая величина, равная отношению потенциальной энергии заряда в данной точке поля к величине этого заряда:

Ф = ^2.

Единица потенциала — вольт (В).

Разность потенциалов между двумя точками электрического поля определяется работой, совершаемой кулоновскими силами при перемещении электрического заряда из первой точки во вторую:

Аф = (фх - Ф2) = | •

Связь разности потенциалов с напряженностью электрического поля:

Е-%,

Где d — проекция перемещения на силовую линию.

Диэлектрическая проницаемость вещества (е) — физическая величина, равная отношению модуля напряженности Е0 электрического поля в

Вакууме к модулю напряженности Е электриче - jj ского поля в однородном диэлектрике:

Е0

Е = —.

Е

Конденсатор — система из двух проводников (обкладок), разделенных слоем диэлектрика, толщина которого мала по сравнению с размерами проводников. При зарядке конденсатора его пластинам сообщают равные по модулю разноименные заряды.

Электроемкость (С) показывает, какой по модулю заряд будет на каждой из обкладок конденсатора, если разность потенциалов между ними равна 1 В:

C--L

Ф1-Ф2 и

Единица электроемкости — фарад (Ф).

Плоский конденсатор — две плоские металлические пластины, расположенные параллельно и разделенные слоем диэлектрика.

Напряженность поля в конденсаторе:

Е = —1

6*8 Q ‘ S ’

Где q — модуль заряда одной из его пластин (Кл),

S — площадь одной из пластин (м2), е — диэлектрическая проницаемость диэлектрика, е0 ~

~ 8,85 • 10“12 Ф/м — электрическая постоянная.

Электроемкость плоского конденсатора:

П _ е • е0 • S d

Где d — толщина диэлектрика (м), S — площадь одной из пластин (м2), 8 — диэлектрическая проницаемость диэлектрика, е0 ~ 8,85 • 10~12 Ф/м —

Электрическая постоянная.

Параллельное соединение конденсаторов. Напряжение на обоих конденсаторах одинаково.

Общая электроемкость цепи равна сумме электроемкостей конденсаторов. Общий заряд цепи равен сумме зарядов конденсаторов.

С = Сх + С2,

И = их = и2,

Ч = + я2-

Постоянный ток

Электрический ток — упорядоченное (направленное) движение электрических зарядов, такое, что через некоторое сечение проводника проходит суммарный заряд, не равный нулю.

Сила тока (/) — физическая величина, равная заряду, который переносится за единицу времени через поперечное сечение проводника:

J - 2. t

Единица измерения — ампер (А).

Сила тока для тока в проводнике:

I = |<70| • п • v • S,

Где q0 — заряд свободной заряженной частицы (Кл); п — концентрация свободных зарядов, v — средняя скорость их упорядоченного движения (м/с), S — площадь сечения проводника (м2).

Условия существования тока в цепи: наличие свободных заряженных частиц, способных перемещаться упорядоченно; наличие электрического поля, поддерживаемого с помощью какого-либо устройства (источника тока).

Электродвижущая сила (ЭДС) — физическая величина, равная отношению работы, совершаемой сторонними силами по перемещению заряда по замкнутой цепи к величине заряда:

А

— ст Я

Обозначается Единица ЭДС — вольт (В).

ЭДС — физическая величина, характеризующая источник тока, равна напряжению на клеммах источника при разомкнутой цепи.

Напряжение (U) — физическая величина, равная модулю разности потенциалов. Единица напряжения — вольт (В).

Закон Ома для участка цепи. Сила тока прямо пропорциональна напряжению на данном участке цепи:

Сопротивление проводника (R):

Я-pi,

Где р — удельное сопротивление вещества (Ом • м), I — длина проводника (м), S — площадь поперечного сечения проводника (м2).

Удельное сопротивление (р) показывает, каким сопротивлением обладает цилиндрический проводник длиной 1 м и поперечным сечением

1 м2, сделанный из данного вещества. Единица удельного сопротивления — Ом, умноженный на метр (Ом • м).

Зависимость удельного сопротивления от температуры для металлов:

Р = р0(1 + аД*°),

Где р0 — температурный коэффициент сопротивления.

Последовательное соединение проводников. Сила тока во всех проводниках одинакова.

Общее сопротивление цепи равно сумме сопротивлений ее участков. Общее напряжение цепи равно сумме напряжений ее участков.

Параллельное соединение проводников. Напряжение на концах всех проводников одинаково.

Величина, обратная общему сопротивлению цепи, равна сумме величин, обратных сопротивлениям ее участков. Общая сила тока в цепи равна сумме сил токов ее участков.

Закон Ома для полной цепи, состоящей из источника тока с ЭДС и внутренним сопротивлением г и внешнего сопротивления R:

R + r'

Работа электрического тока на участке цепи за время t равна:

A = I-U-t

Мощность электрического тока на участке цепи равна:

T

Закон Джоуля—Ленца. Количество теплоты Q, выделившейся в проводнике при прохождении тока, прямо пропорционально квадрату силы тока I, сопротивлению R и времени t:

Q = I2 • R‘ t.

Электрический ток в металлах. В металлах свободными зарядами являются электроны.

Электрический ток в электролитах. Электролиты — вещества, растворы которых проводят электрический ток. Свободными зарядами являются ионы. К электролитам относят, например, растворы солей, кислот и щелочей.

Закон электролиза (закон Фарадея). Масса т вещества, выделившегося на электроде, пропорциональна заряду q, прошедшему через электролит:

Т = kq, или т = kit.

Вакуум — очень разреженный газ, молекулы которого сталкиваются друг с другом реже, чем со стенками сосуда. Носители тока в вакууме — электроны, вылетевшие вследствие эмиссии с поверхности электродов.

Термоэлектронная эмиссия — явление испускания свободных электронов с поверхности нагретых тел.

Полупроводники. Вещества, в которых число свободных зарядов сильно зависит от температуры. При низких температурах полупроводник является диэлектриком. Однако уже при комнатной температуре полупроводник проводит ток. Удельное сопротивление полупроводников на несколько порядков больше, чем у металлов, и быстро уменьшается с увеличением температуры.

Собственная проводимость полупроводников — проводимость, возникающая в результате разрыва ковалентных связей в чистом полупроводнике.

Примесные полупроводники п-типа, обладающие электронной проводимостью (например, примесь мышьяка в кремнии). Примесные атомы, занимающие часть мест в кристаллической решетке, обладают большей валентностью, чем основные атомы, т. е. содержат один лишний электрон.

Примесные полупроводники p-типа, обладающие дырочной проводимостью (примесь индия в кремнии). Валентность у примесных атомов меньше, чем у основных. Появляются дырки, которые «движутся» под действием электрического поля как положительно заряженные частицы.

Р-п-переход. Представляет собой контакт между полупроводниками р - и д-типов. В результате встречной диффузии электронов и дырок у р-/г-перехода образуется запирающий электрический слой, поле которого препятствует дальнейшему переходу электронов и дырок через границу. Запирающий слой обеднен свободными носителями заряда и поэтому имеет повышенное сопротивление. Если внешнее электрическое поле направлено от полупроводника p-типа к полупроводнику я-типа (ток идет в прямом направлении), сопротивление запирающего слоя резко уменьшается; при противоположном направлении тока сопротивление резко возрастает.

Полупроводниковый диод — устройство, содержащее один р-п-переход, практически представляет собой элемент с односторонней проводимостью.

Транзистор — полупроводниковый прибор, содержащий два р-я-перехода. Транзистор позволяет усиливать слабые электрические сигналы.

Магнетизм

Магнитное поле — вид материи, порождается движущимися зарядами и проявляет себя в действии на движущиеся заряды. Магнитное поле — одна из составляющих электромагнитного поля.

Единица индукции магнитного поля — тесла (Тл).

Индукция магнитного поля — силовая характеристика магнитного поля.

Линии магнитной индукции — линии, касательные к которым в каждой точке совпадают по направлению с вектором В в этой точке. Линии магнитной индукции не пересекаются. В области с

—>

Большим модулем В силовые линии расположены ближе друг к другу.

Сила, действующая на движущийся заряд в магнитном поле (сила Лоренца) равна:

F = qBv • sin а,

Где q — заряд (Кл), В — модуль магнитной индукции (Тл), v — модуль скорости (м/с), ос — угол между скоростью и магнитной индукцией.

Направление силы Лоренца определяется по правилу левой руки.

Правило левой руки. Если левую руку расположить так, чтобы перпендикулярная к проводнику составляющая вектора магнитной индук - —>

Ции В входила в ладонь, а четыре вытянутых пальца были направлены по направлению тока, то отогнутый на 90° большой палец покажет направление силы, действующей на отрезок проводника.

Закон Ампера. Сила, действующая на прямолинейный проводник с током в магнитном поле (сила Ампера), равна произведению модуля вектора магнитной индукции на силу тока, длину участка проводника и на синус угла между магнитной индукцией и участком проводника:

F = IBI • sin ос,

Где I — длина проводника (м), В — модуль магнитной индукции (Тл), v — сила тока (А), а — угол между проводником и магнитной индукцией. Направление силы определяется по «правилу левой руки».

Электромагнитная индукция

Магнитный поток (Ф) — физическая величина, равная произведению модуля магнитной индукции на площадь замкнутого контура и на косинус угла между нормалью к контуру и вектором магнитной индукции:

Ф = BS • cos а.

Единица потока магнитной индукции — ве - бер (Вб).

Явление электромагнитной индукции — при изменении магнитного поля возникает вихревое электрическое поле.

Вихревое электрическое поле — электрическое поле, которое не является потенциальным. Силовые линии вихревого электрического поля замкнуты.

Закон электромагнитной индукции. ЭДС индукции, возникающая в замкнутом контуре, равна скорости изменения магнитного потока сквозь этот контур:

G? _ _ АФ

Д7 ’

Где АФ — изменение потока магнитной индукции (Вб), At — время, за которое меняется этот поток (с). Знак минус в формуле соответствует правилу Ленца.

Правило Ленца. Возникающий в замкнутом контуре индукционный ток имеет такое направление, что созданный им магнитный поток через площадь, ограниченную контуром, стремится компенсировать то изменение магнитного потока, которым вызывается данный ток.

Самоиндукция — явление возникновения ЭДС в катушке при изменении силы тока в ней. Явление самоиндукции препятствует как увеличению, так и уменьшению силы тока.

Индуктивность (L) — физическая величина, характеризующая свойства катушки. Зависит от формы катушки, количества витков и наличия сердечника. Единица индуктивности — генри (Гн).




See also: