fizyka7zr.pdf

(338 KB) Pobierz
Microsoft Word - fizyka 7zr popr.doc
R o z d z i a ł 7
POLE ELEKTRYCZNE
Zjawiska elektryczne towarzyszyły człowiekowi od samego początku jego pojawienia
się. Wyładowania atmosferyczne napawały grozą, zaś zjawiska bioelektryczne i elektryzacja
pewnych materiałów nasuwały przypuszczenia o niewidzialnej sile, która potrafi ożywić to co
martwe.
Pierwsze doświadczenia (w dzisiejszym słowa tego znaczeniu) z elektryczności
przeprowadzane były już w starożytności, już Tales z Miletu (600 lat p.n.e.) wspomina o tym,
że potarty bursztyn wykazuje właściwości przyciągania drobnych przedmiotów. Ogólnie też
znane były objawy elektryczności atmosferycznej, takie jak pioruny, ale natura ich była nie
wyjaśniona aż do drugiej połowy XVII wieku. Wiedziano jednak, że można się ustrzec przed
uderzeniem pioruna stosując wysokie, zaostrzone maszty. Podczas prac archeologicznych w
Egipcie na ścianach starożytnych świątyń znaleziono napisy wyjaśniające stosowanie
masztów jako środka zabezpieczającego przed „niebieskim ogniem”.
Dopiero w XIX i XX wiek wprzągł szeroko elektryczność w służbę człowieka. Ze
zjawiskami elektrycznymi mamy do czynienia nie tylko w przypadku przepływu prądu
elektrycznego. Pola elektrostatyczne często występują w nowoczesnych mieszkaniach stając
się źródłem iskrzenia. Naelektryzowany sweter przyciąga skrawki papieru, a ekran telewizora
cząstki kurzu. Łatwo zauważyć, że do tego oddziaływania nie jest konieczny bezpośredni
kontakt. Jedno ciało naelektryzowane działa na drugie ciało naelektryzowane nawet z pewnej
odległości. Doświadczeń takich można zaplanować i wykonać bardzo dużo. Można
naelektryzować wiele materiałów, np. przez tarcie, lub też wytwarzać elektryczność statyczną
za pomocą odpowiednich maszyn. Wyniki tych doświadczeń są następujące –
5
naelektryzowane ciała działają na siebie z odpowiednimi siłami, zależnymi, ogólnie rzecz
biorąc, od odległości, przyciągają się wzajemnie lub odpychają. Sama przyczyna
oddziaływania jest jednak dla obserwatora nieuchwytna. Dla jej objaśnienia wprowadzono
wielkość (abstrakcyjną), zwaną ładunkiem elektrycznym. Ładunku elektrycznego nie można
zobaczyć – można o jego istnieniu wnioskować jedynie poprzez występowanie zjawisk
elektrycznych.
7.1. Ładunek elektryczny
Podstawową własnością ładunku elektrycznego jest to, że mamy do czynienia z
dwoma jego rodzajami. Ładunek doznaje odpychania od dowolnego innego z tej samej grupy,
natomiast jest przyciągany przez dowolny ładunek z innej grupy.
Powiemy, że jeśli dwa małe elektrycznie naładowane ciała A i B umieszczone w
pewnej odległości od siebie odpychają się oraz jeśli A przyciąga trzecie naelektryzowane
ciało C, to z pewnością można stwierdzić, że ciała B i C również się przyciągają.
Fizycy współcześni traktują istnienie dwu rodzajów ładunków jako przejaw istnienia
przeciwstawnych stanów tej samej wielkości fizycznej. (Wszyscy wiemy, że moneta jest
jedna, a jak rzucimy ją do góry to upadnie na ziemię raz reszką a raz orłem).
Które z ładunków są ujemne, a które dodatnie? Jest rzeczą czysto umowną, które z
ładunków nazwiemy dodatnimi, a które ujemnymi.
Zgodnie z umową elektrony mają ujemny ładunek.
Ładunki elektryczne podlegają dwóm fundamentalnym prawom:
1. Ładunek podlega prawu zachowania.
2. Ładunek może przybierać jedynie wartości będące (co do modułu) wielokrotnością
ładunku elektronu.
7.2. Prawo zachowania ładunku
Wprowadzimy jako postulat teorii prawo zachowania ładunku w następującej postaci:
Całkowity ładunek elektryczny układu odosobnionego w dowolnej chwili nie może ulegać
zmianie.
Eksperymenty potwierdzają to prawo, np. zjawisko tworzenia pary elektron-pozyton.
Jeżeli bombardujemy promieniami γ umieszczone w próżni pudło o cienkich ściankach
(rys.7.1), to przy odpowiednich warunkach możemy zaobserwować zjawisko tworzenia pary
elektron-pozyton wewnątrz układu. Utworzone zostały dwie elektrycznie naładowane cząstki,
ale całkowity ładunek układu nie uległ zmianie. Współczesne eksperymenty z bardzo dużą
6
dokładnością pokazują, że wartość bezwzględna ładunku elektronu i pozytonu jest
jednakowa.
Rys.7.1. Powstanie pary elektron-pozyton o ładunkach równych co do wielkości i
przeciwnych co do znaku.
Brak zachowania ładunku byłby niezgodny ze współczesną teorią elektromagnetyzmu.
Prawo zachowania ładunku jest słuszne w dowolnym układzie inercjalnym, a ładunek
elektryczny jest wielkością relatywistycznie niezmienniczą.
7.3. Ładunek elektryczny elektronu
Występujące w przyrodzie ładunki są wielokrotnością ładunku elektronu, który
oznaczać będziemy przez e. Kwantyzacja ładunku jest powszechnym prawem przyrody.
Dotychczasowe pomiary wykazują, że wszystkie naładowane cząstki elementarne mają
identyczne co do wartości bezwzględnej ładunki.
W rozważaniach naszych będziemy przyjmowali, że punktowe ładunki mogą
przybierać dowolną wartość q. Ładunek punktowy jest idealizacją bliższą rzeczywistości niż
wyobrażenia o ciągłym jego rozkładzie. W pewnych przypadkach będziemy posługiwać się
ciągłym rozkładem ładunku, będzie to wówczas jednak wynik uśredniania po wielkiej liczbie
ładunków elementarnych.
Jednostką ładunku elektrycznego jest kulomb [C], przy czym 1 kulomb jest to ładunek
przenoszony przez prąd elektryczny o natężeniu 1 ampera [A] w czasie 1 sekundy [s].
]
[
C
]
⋅=
[
A
]
[
Ładunek elementarny (ładunek elektryczny elektronu) e wynosi:
e
=
1
⋅
10
−
19
C
7
5246992.002.png
7.4. Prawo Coulomba
W roku 1785 Coulomb na podstawie doświadczeń z wagą skręceń wypowiada prawo
dotyczące oddziaływania dwu nieruchomych, punktowych ładunków elektrycznych. Zgodnie
z tym prawem:
Dwa nieruchome punktowe ładunki elektryczne odpychają się lub przyciągają z siłą
proporcjonalną do iloczynu tych ładunków, a odwrotnie proporcjonalną do ich odległości.
Wyrazimy to przy pomocy równania:
G =
q
q
r
1
2
12
F
k
(7.1)
12
2
12
r
r
12
gdzie q 1 i q 2 są wielkościami skalarnymi określającymi wielkość i znak ładunków. Wielkość
F G jest siłą działającą na ładunek, zaś wektor
r G jest skierowany od ładunku q 2 do q 1 (patrz
rys.7.2).
Rys.7.2. Jeżeli wektor
F G jest siłą jaką działa ładunek q 2 na ładunek q 1 , to wektor
12
r G
prowadziliśmy od ładunku q 2 do q 1 .
W układzie jednostek SI stałą k można zapisać w postaci:
1
9
N
⋅
m
2
k
=
=
8
.
9875
⋅
10
/
ε
(7.2)
r
4
πε
ε
2
C
o
r
−
11
C
2
gdzie
ε
=
0
8859
⋅
10
jest przenikalnością elektryczną próżni.
o
2
m
⋅
N
Stała ε r występująca we wzorze (7.2) nosi nazwę względnej przenikalności elektrycznej
ośrodka i wyraża się liczbą niemianowaną. W tabeli 7.1 podano względne przenikalności
elektryczne ε r kilku substancji.
8
G
12
12
12
.
5246992.003.png 5246992.004.png 5246992.005.png
Tabela 7.1.
Względne przenikalności elektryczne różnych ośrodków.
Względna przenikalność
Ośrodek
elektryczna ε r
Próżnia
Powietrze
1
1.0006
Parafina
Nafta
2.0
2.0
Olej transformatorowy
Benzen
2.2
2.3
Chloroform
Szkło
4.8
5÷10
Alkohol
Woda
27
81
Znając ε r i ε o możemy określić przenikalność elektryczną ε każdego ośrodka
materialnego:
=ε
ε
o ε
r
(7.3)
Fakt, że oddziaływanie ładunków zależy od ośrodka, tłumaczy się zjawiskiem
polaryzacji elektrycznej ośrodka. Mianowicie, ładunek q 1 wprowadzony do ośrodka zostaje
otoczony płaszczem ładunków przeciwnego znaku, które neutralizują częściowo ładunek q 1 .
To samo zachodzi dla drugiego ładunku q 2 , w rezultacie czego siła ich oddziaływania ulega
zmniejszeniu. W związku z tym względne przenikalności elektryczne ośrodków są zawsze
większe od jedności (patrz Tabela 7.1).
7.5. Natężenie pola elektrycznego
Przestrzeń otaczająca ładunki elektryczne posiada taką właściwość, że na umieszczone
w dowolnym jej punkcie inne ładunki działa siła. Mówimy, że wokół ładunków elektrycznych
istnieje pole elektryczne.
Istnienie pola elektrycznego można wykryć wprowadzają do przestrzeni w której ono
działa ładunek próbny q 0 . W polu elektrycznym na ładunek próbny działa siła F G . Umożliwia
to wprowadzenie pojęcia: natężenia pola elektrycznego.
9
5246992.001.png

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika:

Zgłoś jeśli naruszono regulamin