Как изменится модуль напряженности электрического тока

Вариант 2

A1. Как называется отношение работы, совершаемой электрическим полем при перемещении положительного заряда, к значению заряда?

1) потенциальная энергия электрического поля
2) напряженность электрического поля
3) электрическое напряжение
4) электроемкость

А2. Какая из приведенных ниже математических записей определяет энергию заряженного конденсатора?

1) U/_Δd
2) k2π|σ|
3) qU/₂
4) k|q|/_R2

А3. Какое направление имеет вектор E в точке А поля, если поле создано положительным зарядом q? (См. рисунок.)

1) вправо
2) влево
3) вверх
4) вниз

А4. Сравните значения работы поля, созданного зарядом +q, при перемещении заряда из точки А в точку В и в точку С. (См. рисунок.)

1) A_AB < А_АС
2) A_AB < А_АС
3) A_AB = А_АС
4) A_AB = А_АС = 0

B1. Поле создано зарядом 10-8 Кл. Какую работу совершают силы при перемещении протона из точки, находящейся на расстоянии 16 см от заряда до расстояния 20 см от него?

C1. В пространство между двумя параллельными квадратными пластинами со стороной b каждая, параллельно пластинам влетает электрон со скоростью v. Обе пластины несут на себе положительные заряды q₁ и q₂ (q₁ < q₂). Под каким углом α вылетит электрон из пространства между пластинами?

Ответы на тест по физике Электростатика 10 классВариант 1
А1-2
А2-1
А3-2
А4-3
В1. 10-7 Дж
С1. 300 В/мВариант 2
А1-3
А2-3
А3-1
А4-3
В1. 18 · 10-18 Дж
С1. α = arctge(q₁ − q₂)/_2εεbmv2

Электризация тел

Электризация – процесс сообщения телу электрического заряда, т. е. нарушение его электрической нейтральности. Процесс электризации представляет собой перенесение с одного тела на другое электронов или ионов. В результате электризации тело получает возможность участвовать в электромагнитном взаимодействии.

Способы электризации:

• трением, – например, электризация эбонитовой палочки при трении о мех. При тесном соприкосновении двух тел часть электронов переходит с одного тела на другое; в результате этого на поверхности у одного из тел создается недостаток электронов и тело получает положительный заряд, а у другого – избыток, и тело заряжается отрицательно. Величины зарядов тел одинаковы;
• через влияние (электростатическая индукция) – тело остается электрически нейтральным, электрические заряды внутри него перераспределяются так, что разные части тела приобретают разные по знаку заряды;
• при соприкосновении заряженного и незаряженного тела – заряд при этом распределяется между этими телами пропорционально их размерам. Если размеры тел одинаковы, то заряд распределяется между ними поровну;
• при ударе;
• под действием излучения – под действием света с поверхности проводника могут вырываться электроны, при этом проводник приобретает положительный заряд.

Закон Кулона

Закон Кулона был открыт экспериментально: в опытах с использованием крутильных весов измерялись силы взаимодействия заряженных шаров.

Закон Кулона формулируется так:
сила взаимодействия ​\( F \)​ двух точечных неподвижных электрических зарядов в вакууме прямо пропорциональна их модулям ​\( q_1 \)​ и \( q_2 \) и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними ​\( r \)​:

где ​\( k=\frac{1}{4\pi\varepsilon_0}=9\cdot10^9 \)​ (Н·м2)/Кл2 – коэффициент пропорциональности,
​\( \varepsilon_0=8.85\cdot10^{-12} \)​ Кл2/(Н·м2) – электрическая постоянная.

Коэффициент ​\( k \)​ численно равен силе, с которой два точечных заряда величиной 1 Кл каждый взаимодействуют в вакууме на расстоянии 1 м.

Сила Кулона направлена вдоль прямой, соединяющей взаимодействующие заряды. Заряды взаимодействуют друг с другом с силами, равными по величине и противоположными по направлению.

Значение силы Кулона зависит от среды, в которой они находятся. В этом случае формула закона:

где ​\( \varepsilon \)​ – диэлектрическая проницаемость среды.

Закон Кулона применим к взаимодействию

• неподвижных точечных зарядов;
• равномерно заряженных тел сферической формы.

В этом случае ​\( r \)​ – расстояние между центрами сферических поверхностей.

Важно!
Если заряженное тело протяженное, то его необходимо разбить на точечные заряды, рассчитать силы их попарного взаимодействия и найти равнодействующую этих сил (принцип суперпозиции)

§ 22-1. Проводники в электростатическом поле

Мы уже обсуждали сходство и различие гравитационного и электростатического взаимодействий. Следует отметить ещё одно их существенное различие. От сил тяготения нельзя защититься. Нет такого убежища, в котором бы силы тяготения не действовали. А вот получить надёжную защиту от электростатических сил вполне возможно. Такую защиту может обеспечить любой проводник. Так какие же свойства проводников позволяют использовать их для электростатической защиты?

Проводники в электростатическом поле. В металлах свободными заряженными частицами являются электроны. Это происходит потому, что электроны, находящиеся на внешних оболочках атомов, утрачивают связи со своими атомами и могут относительно свободно передвигаться по всему объёму металла.

Рис. 118.2

Выясним, что происходит в однородном металлическом проводнике, если его внести в электростатическое поле. Для этого поместим металлический проводник А в электростатическое поле, созданное двумя заряженными пластинами В и С (рис. 118.2). Напряжённость этого поля направлена от положительно заряженной пластины В к отрицательно заряженной пластине С. Под действием электрических сил свободные электроны наряду с непрекращающимся тепловым движением начнут двигаться упорядоченно. Они будут накапливаться слева у поверхности проводника А, создавая там избыточный отрицательный заряд. Недостаток электронов на правой стороне проводника приведёт к возникновению на ней избыточного положительного заряда.

Перераспределившиеся заряды создают собственное электрическое поле . Линии напряжённости этого поля в проводнике направлены в сторону, противоположную линиям напряжённости внешнего поля . Упорядоченное перемещение свободных электронов в проводнике прекратится, если собственное поле скомпенсирует внешнее . В этом случае напряжённость результирующего поля внутри проводника станет равной нулю, т. е. электростатическое поле в проводнике исчезнет.

Следовательно, электростатическое поле внутри проводника отсутствует. Таким образом, проводник — одна из моделей, используемых в электростатике, описывающая однородное тело, внутри которого напряжённость электростатического поля равна нулю.

Суммарный заряд любой внутренней области проводника равен нулю и не влияет на распределение зарядов на его поверхности и на напряжённость поля внутри проводника. На этом свойстве проводников основана электростатическая защита. Чтобы защитить чувствительные к электрическому полю приборы, их помещают внутрь заземлённых полых проводников со сплошными или сетчатыми стенками. Чаще, однако, экранируют не приборы, а сам источник электрического поля, от нежелательного воздействия которого необходимо защитить расположенные поблизости устройства.

От теории к практике

Рис. 118.3

На рисунке 118.3 представлено поперечное сечение полой проводящей призмы. Призма заряжена отрицательно. В какой области (областях) — А, В или С — напряжённость электростатического поля не равна нулю?

Следствием того, что напряжённость электростатического поля внутри однородного проводника равна нулю, является то, что потенциал всех точек проводника одинаков. В самом деле, если напряжённость поля равна нулю, то разность потенциалов между любыми двумя точками проводника равна нулю. Поэтому можно оперировать потенциалом проводника, не указывая конкретную точку, в которой он определён.

Вариант 1

A1. Какая физическая величина определяется отношением силы, с которой действует электрическое поле на электрический заряд, к значению этого заряда?

1) потенциальная энергия электрического поля
2) напряженность электрического поля
3) электрическое напряжение
4) электроемкость

А2. Какое направление принято за направление вектора напряженности электрического поля?

1) направление вектора силы, действующей на положительный точечный заряд
2) направление вектора силы, действующей на отрицательный точечный заряд
3) направление вектора скорости положительного точечного заряда
4) направление вектора скорости отрицательного точечного заряда

А3. Что содержится в положительно заряженном теле?

1) избыток электронов
2) недостаток электронов
3) избыток протонов
4) недостаток протонов

А4. Как изменится по модулю напряженность электрического поля точечного заряда при уменьшении расстояния от заряда до исследуемой точки в 2 раза и увеличении заряда в 2 раза?

1) увеличится в 2 раза
2) уменьшится в 2 раза
3) увеличится в 8 раз
4) уменьшится в 8 раз

В1. Плоский воздушный конденсатор емкостью 20 пФ заряжен до разности потенциалов 100 В и отключен от источника. Какую работу надо совершить, чтобы вдвое увеличить расстояние между обкладками конденсатора?

С1. Плоский конденсатор объемом 2 · 10-3 м без диэлектрика (ε = 1) поместили в однородное электрическое поле так, что вектор напряженности поля расположился перпендикулярно пластинам конденсатора. Чему равна напряженность поля, если для увеличения расстояния между пластинами в 3 раза была совершена работа 15,93 · 10-10 Дж? (Пластины конденсатора закорочены.)

Как найти потенциал и напряженность электрического поля

Взаимосвязь между электрическим потенциалом и полем аналогична взаимосвязи между гравитационным потенциалом и полем в том смысле, что потенциал является свойством поля, описывающим действие поля на объект.

Электрическое поле и потенциал в одном измерении: наличие электрического поля вокруг статического точечного заряда создает разность потенциалов, заставляя тестовый заряд испытывать силу и двигаться.

Электрическое поле похоже на любое другое векторное поле: оно оказывает силу, основанную на стимуле, и имеет единицы силы, умноженные на обратный стимул. В случае электрического поля стимулом является заряд, и, следовательно, единицы измерения равны NC-1. Другими словами, электрическое поле является мерой силы на единицу заряда.

В единицах измерения электрический потенциал и заряд тесно связаны. Они имеют общий коэффициент обратных кулонов (C-1), в то время как сила и энергия различаются только на коэффициент расстояния (энергия — это произведение силы на расстояние).

Таким образом, для однородного поля соотношение между электрическим полем (E), разностью потенциалов между точками A и B (Δ) и расстоянием между точками A и B (d) равно:

Коэффициент -1 возникает в результате отталкивания положительных зарядов: положительный заряд будет отталкиваться от положительно заряженной пластины в направлении места с более высоким напряжением.

Приведенное выше уравнение представляет собой алгебраическое соотношение для однородного поля. В изначальном смысле, не предполагая однородности поля, электрическое поле представляет собой градиент электрического потенциала в направлении x:

Это может быть выведено из основных принципов. Учитывая, что ∆P=W (изменение энергии заряда равно работе, проделанной над этим зарядом), применение закона сохранения энергии, мы можем заменить ∆P и W другими терминами. ∆P может быть заменено его определением как произведение заряда (q) и разности потенциалов (dV). Затем мы можем заменить W его определением как произведение q, электрического поля (E) и разности расстояний в направлении x (dx): 

Деление обеих частей уравнения на q дает предыдущее уравнение.

Напряженность электростатического поля

Величина напряженности электрического поля определяется с точки зрения того, как она измеряется. Если предположить, что электрический заряд может быть обозначен символом Q. Этот электрический заряд создает электрическое поле; поскольку Q является источником электрического поля, он будет называться его зарядом источника.

Напряженность электрического поля исходного заряда может быть измерена любым другим зарядом, размещенным где-то в его окружении. Заряд, используемый для измерения напряженности электрического поля, называется тестовым зарядом, поскольку он используется для проверки напряженности поля. Испытательный заряд имеет количество заряда, обозначенное символом q. При помещении в электрическое поле испытуемый заряд будет испытывать электрическую силу — либо притягивающую, либо отталкивающую. Как это обычно бывает, эта сила будет обозначаться символом F. Величина электрического поля просто определяется как сила, приходящаяся на заряд испытуемого заряда.

Если напряженность электрического поля обозначается символом E, то уравнение может быть переписано в символической форме как:

Стандартные метрические единицы измерения напряженности электрического поля вытекают из его определения. Поскольку электрическое поле определяется как сила на заряд, его единицами будут единицы силы, деленные на единицы заряда. В этом случае стандартными метрическими единицами являются Ньютон/Кулон или Н/С.

Для столкновения с силой всегда требовались два заряда. В электрическом мире для притяжения или отталкивания требуются двое. Уравнение для напряженности электрического поля (E) содержит одну из двух величин заряда, перечисленных в нем. Символ q в уравнении представляет собой количество заряда на тестовом заряде (не на исходном заряде). Напомним, что напряженность электрического поля определяется в терминах того, как она измеряется или проверяется; таким образом, тестовый заряд попадает в уравнение. Электрическое поле — это сила, приходящаяся на количество заряда на испытуемом заряде.

Природа магнетизма

Согласно одной из легенд, когда-то давным-давно жил в Греции пастух по имени Магнес. И вот шел он как-то со своим стадом овец, присел на камень и обнаружил, что конец его посоха, сделанный из железа, стал притягиваться к этому камню. С тех пор стали называть этот камень магнетит в честь Магнеса. Этот камень представляет из себя оксид железа.

Если такой камень положить на деревянную доску на воду или подвесить на нитке, то он всегда выстраивался в определенном положении. Один его конец всегда показывал на СЕВЕР, а другой  — на ЮГ.

Этим свойством камня пользовались древние цивилизации. Поэтому, это был своего рода первый компас. Потом уже стали обтачивать такой камень и делать из разные фигурки. Например, так выглядел китайский древний компас, ложка которого была сделана из того самого магнетита. Ручка у этой ложки всегда показывала на ЮГ.

Ну а далее дело шло за практичностью и маленькими габаритами. Из магнетита вытачивали маленькие стрелки, которые подвешивали на тонкую иглу посередине. Так стали появляться первые малогабаритные компасы.

Древние цивилизации, конечно, не знали еще что такое север и юг. Поэтому, одну сторону магнетита они назвали северным полюсом (North), а противоположный конец — южным (South). Названия на английском очень легко запомнить, если кто смотрел американский мультфильм «Южный парк», он же Сауз (South) парк).

Потенциал электрического поля. Разность потенциалов

Потенциал – скалярная физическая величина, равная отношению потенциальной энергии электрического заряда в электростатическом поле к величине этого заряда.

Обозначение – ​\( \varphi \)​, единица измерения в СИ – вольт (В).

Потенциал \( \varphi \) является энергетической характеристикой электростатического поля.

Разность потенциалов численно равна работе, которую совершает электрическая сила при перемещении единичного положительного заряда между двумя точками поля:

Обозначение – ​\( \Delta\varphi \)​, единица измерения в СИ – вольт (В).

Иногда разность потенциалов обозначают буквой ​\( U \)​ и называют напряжением.

Важно!
Разность потенциалов \( \Delta\varphi=\varphi_1-\varphi_2 \), а не изменение потенциала \( \Delta\varphi=\varphi_2-\varphi_1 \). Тогда работа электростатического поля равна:

Важно!
Эта формула позволяет вычислить работу электростатических сил в любом поле. В электростатике часто вычисляют потенциал относительно бесконечно удаленной точки

В этом случае потенциал поля в данной точке равен работе, которую совершают электрические силы при удалении единичного положительного заряда из данной точки в бесконечность

В электростатике часто вычисляют потенциал относительно бесконечно удаленной точки. В этом случае потенциал поля в данной точке равен работе, которую совершают электрические силы при удалении единичного положительного заряда из данной точки в бесконечность.

Потенциал поля точечного заряда ​\( q \)​ в точке, удаленной от него на расстояние ​\( r \)​, вычисляется по формуле:

Для наглядного представления электрического поля используют эквипотенциальные поверхности.

Важно!
Внутри проводящего шара потенциал всех точек внутри шара равен потенциалу поверхности шара и вычисляется по формуле потенциала точечного заряда (​\( r =R \)​, где ​\( R \)​ – радиус шара). Напряженность поля внутри шара равна нулю

Эквипотенциальной поверхностью, или поверхностью равного потенциала, называется поверхность, во всех точках которой потенциал имеет одинаковое значение.

Свойства эквипотенциальных поверхностей

• Вектор напряженности перпендикулярен эквипотенциальным поверхностям и направлен в сторону убывания потенциала.
• Работа по перемещению заряда по эквипотенциальной поверхности равна нулю.

В случае однородного поля эквипотенциальные поверхности представляют собой систему параллельных плоскостей. Для точечного заряда эквипотенциальные поверхности представляют собой концентрические окружности.

Разность потенциалов и напряженность связаны формулой:

Из принципа суперпозиции полей следует принцип суперпозиции потенциалов:

Потенциал результирующего поля равен сумме потенциалов полей отдельных зарядов.

Важно!
Потенциалы складываются алгебраически, а напряженности – по правилу сложения векторов. Решение задач о точечных зарядах и системах, сводящихся к ним, основано на применении законов сохранения, теоремы об изменении кинетической энергии заряда с учетом работы электростатических сил

Решение задач о точечных зарядах и системах, сводящихся к ним, основано на применении законов сохранения, теоремы об изменении кинетической энергии заряда с учетом работы электростатических сил.

Алгоритм решения таких задач:

• установить характер и особенности электростатических взаимодействий объектов системы;
• ввести характеристики (силовые и энергетические) этих взаимодействий, сделать рисунок;
• записать законы сохранения и движения для объектов;
• выразить энергию электростатического взаимодействия через заряды, потенциалы, напряженности;
• составить систему уравнений и решить ее относительно искомой величины;
• проверить решение.

Магнитные линии и магнитный поток

Вокруг магнита экспериментальным путем были обнаружены магнитные силовые линии. Эти магнитные линии создают так называемое магнитное поле.

Как вы могли заметить на рисунке, концентрация магнитных силовых линий на самых краях магнита намного больше, чем в его середине. Это говорит о том, что магнитное поле является более сильным именно на краях магнита, а в его середине практически равна нулю. Направлением магнитных силовых линий считается направление от севера к югу.

Ошибочно считать, что магнитные силовые линии начинают свое движение от северного полюса и заканчивают свой век на южном. Это не так. Магнитные линии — они замкнуты и непрерывны. В магните это будет выглядеть примерно так.

Если приблизить два разноименных полюса, то произойдет притягивание магнитов

Если же приблизить одноименными полюсами, то произойдет их отталкивание

Итак, ниже важные свойства магнитных силовых линий.

• Магнитные линии не поддаются гравитации.
• Никогда не пересекаются между собой.
• Всегда образуют замкнутые петли.
• Имеют определенное направление с севера на юг.
• Чем больше концентрация силовых линий, тем сильнее магнитное поле.
• Слабая концентрация силовых линий указывает на слабое магнитное поле.

Магнитные силовые линии, которые образуют магнитное поле, называют также магнитным потоком.

Итак, давайте рассмотрим два рисунка и ответим себе на вопрос, где плотность магнитного потока будет больше? На рисунке «а» или на рисунке «б»?

Видим, что на рисунке «а» мало силовых магнитных линий, а на рисунке «б» их концентрация намного больше. Отсюда можно сделать вывод, что плотность магнитного потока на рисунке «б» больше, чем на рисунке «а».

В физике формула магнитного потока записывается как

где

Ф — магнитный поток, Вебер

В — плотность магнитного потока, Тесла

а — угол между перпендикуляром n (чаще его зовут нормалью) и плоскостью S, в градусах

S — площадь, через которую проходит магнитный поток, м2

Что же такое 1 Вебер? Один вебер — это магнитный поток, который создается полем индукцией 1 Тесла через площадку 1м2 расположенной перпендикулярно направлению магнитного поля.