Die Elektrostatik untersucht die Eigenschaften und Wechselwirkungen von Ladungen, die in dem Bezugssystem, in dem sie betrachtet werden, stationär sind.

In der Natur gibt es nur zwei Arten von elektrischen Ladungen - negativ und positiv. Auf einem mit der Haut geriebenen Glasstab kann eine positive Ladung auftreten, und auf Bernstein, der mit einem Wolltuch gerieben wird, kann eine negative Ladung auftreten.

Wir wissen, dass alle Körper aus Atomen bestehen. Ein Atom wiederum besteht aus einem positiv geladenen Kern und Elektronen, die sich um ihn drehen. Da die Elektronen negativ und der Kern positiv geladen sind, ist das Atom als Ganzes elektrisch neutral. Wenn es ihm von außen ausgesetzt wird, kann es ein oder mehrere Elektronen verlieren und sich in ein positiv geladenes Ion verwandeln. Für den Fall, dass ein Atom (oder Molekül) ein zusätzliches Elektron an sich bindet, verwandelt es sich in ein negatives Ion.

Somit kann elektrische Ladung in Form von negativen oder positiven Ionen und Elektronen vorliegen. Es gibt eine Art von "freier Elektrizität" - negative Elektronen. Wenn also ein Körper eine positive Ladung hat, hat er nicht genug Elektronen, und wenn er eine negative Ladung hat, dann hat er einen Überschuss.

Die elektrischen Eigenschaften einer Substanz werden durch ihre atomare Struktur bestimmt. Atome können sogar ein paar Elektronen verlieren, in diesem Fall werden sie als mehrfach ionisiert bezeichnet. Der Kern eines Atoms besteht aus Protonen und Neutronen. Jedes Proton trägt eine Ladung, die gleich der des Elektrons ist, aber im entgegengesetzten Vorzeichen. Neutronen sind elektrisch neutrale Teilchen (haben keine elektrische Ladung).

Neben Protonen und Elektronen tragen auch andere Elementarteilchen eine elektrische Ladung. Elektrische Ladung ist ein wesentlicher Bestandteil von Elementarteilchen.

Als kleinste Ladung wird die Ladung angesehen, die gleich der Ladung des Elektrons ist. Sie wird auch als Elementarladung bezeichnet, die 1,6 10 -19 C entspricht. Jede Ladung ist ein Vielfaches einer ganzen Zahl von Elektronenladungen. Daher kann die Elektrifizierung des Körpers nicht kontinuierlich erfolgen, sondern nur schrittweise (diskret) durch den Wert der Elektronenladung.

Wenn ein positiv geladener Körper wieder aufgeladen wird (mit negativer Elektrizität aufgeladen wird), ändert sich seine Ladung nicht sofort, sondern sinkt zuerst auf Null und nimmt erst dann ein negatives Potential an. Daraus können wir schließen, dass sie sich gegenseitig kompensieren. Diese Tatsache führte die Wissenschaftler zu dem Schluss, dass in "ungeladenen" Körpern immer Ladungen mit positiven und negativen Vorzeichen vorhanden sind, die in solchen Mengen enthalten sind, dass sich ihre Wirkung vollständig kompensiert.

Bei Elektrifizierung durch Reibung werden die im „ungeladenen Körper“ enthaltenen negativen und positiven „Elemente“ getrennt. Infolge der Bewegung der negativen Elemente des Körpers (Elektronen) werden beide Körper elektrisiert, und einer von ihnen ist negativ und der zweite positiv. Die Menge des "Flusses" von einem Ladungselement zum anderen bleibt während des gesamten Prozesses konstant.

Daraus lässt sich schließen Gebühren sind es nicht entstehen und verschwinden nicht, sondern „fließen“ nur von einem Körper zum anderen oder bewegen sich darin. Dies ist die Essenz des Erhaltungssatzes elektrischer Ladungen. Während der Reibung unterliegen viele Materialien einer Elektrifizierung - Ebonit, Glas und viele andere. In vielen Branchen (Textil, Papier und andere) ist das Vorhandensein statischer Elektrizität ein ernsthaftes technisches Problem, da die Elektrifizierung von Elementen, die durch die Reibung von Papier, Stoff oder anderen Produktionsprodukten an Maschinenteilen verursacht wird, Brände und Explosionen verursachen kann.

Der Ladungserhaltungssatz lässt sich kürzer formulieren – in einem isolierten System bleibt die algebraische Summe geladener Elemente konstant:

Dieses Gesetz gilt auch für die gegenseitigen Umwandlungen verschiedener Elementarteilchen, aus denen das Atom und der Kern als Ganzes bestehen.

Führt dazu, dass das Gesetz der Ladungserhaltung gilt lokal Charakter: Die Ladungsänderung in einem beliebigen vorgegebenen Volumen ist gleich dem Ladungsfluss durch seine Grenze. In der ursprünglichen Formulierung wäre folgender Vorgang möglich: Die Ladung verschwindet an einem Punkt im Raum und entsteht sofort an einem anderen. Ein solcher Prozess wäre jedoch relativistisch nicht invariant: Aufgrund der Relativität der Gleichzeitigkeit würde die Ladung in einigen Bezugsrahmen an einer neuen Stelle erscheinen, bevor sie im vorherigen verschwand, und in einigen würde die Ladung erscheinen einen neuen Ort einige Zeit nach dem Verschwinden im vorherigen. Das heißt, es würde eine Zeitdauer geben, während der die Ladung nicht erhalten bleibt. Die Lokalitätsforderung erlaubt uns, den Ladungserhaltungssatz in differentieller und integraler Form aufzuschreiben.

Das Gesetz der Ladungserhaltung in integraler Form

Denken Sie daran, dass die elektrische Ladungsflussdichte einfach die Stromdichte ist. Die Tatsache, dass die Ladungsänderung im Volumen gleich dem Gesamtstrom durch die Oberfläche ist, lässt sich mathematisch schreiben:

Hier ist Ω eine beliebige Region im dreidimensionalen Raum, ist die Grenze dieser Region, ρ ist die Ladungsdichte, ist die Stromdichte (Flussdichte der elektrischen Ladung) durch die Grenze.

Das Gesetz der Ladungserhaltung in differentieller Form

Wenn wir zu einem infinitesimalen Volumen übergehen und das Stokes-Theorem nach Bedarf verwenden, können wir das Gesetz der Ladungserhaltung in einer lokalen Differentialform (Kontinuitätsgleichung) umschreiben.

Gesetz der Ladungserhaltung in der Elektronik

Die Kirchhoffschen Stromregeln folgen direkt aus dem Ladungserhaltungssatz. Die Kombination von Leitern und funkelektronischen Komponenten wird als offenes System dargestellt. Der gesamte Ladungszufluss in ein gegebenes System ist gleich dem gesamten Ladungsausstoß aus dem System. Die Kirchhoffschen Regeln gehen davon aus, dass ein elektronisches System seine Gesamtladung nicht wesentlich ändern kann.

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Bei der Elektrifizierung von Körpern Gesetz der Erhaltung der elektrischen Ladung. Dieses Gesetz gilt für ein geschlossenes System. In einem abgeschlossenen System bleibt die algebraische Summe der Ladungen aller Teilchen unverändert . Wenn die Teilchenladungen mit q 1 , q 2 usw. bezeichnet werden, dann gilt

q 1 +q 2 +q 3 + … + f n= konst.

Das Grundgesetz der Elektrostatik ist das Coulombsche Gesetz

Wenn der Abstand zwischen den Körpern um ein Vielfaches größer ist als ihre Größe, dann beeinflussen weder die Form noch die Größe der geladenen Körper die Wechselwirkungen zwischen ihnen wesentlich. In diesem Fall können diese Körper als Punktkörper betrachtet werden.

Die Kraft der Wechselwirkung geladener Körper hängt von den Eigenschaften des Mediums zwischen den geladenen Körpern ab.

Die Wechselwirkungskraft zweier bewegungsloser geladener Punktkörper im Vakuum ist direkt proportional zum Produkt der Ladungsmodule und umgekehrt proportional zum Quadrat des Abstands zwischen ihnen. Diese Kraft wird Coulomb-Kraft genannt.

|q 1 | und | q 2 | - Module der Körperschaftsgebühren,

r- der Abstand zwischen ihnen,

k- Verhältnismäßigkeitskoeffizient.

F- Interaktionskraft

Die Wechselwirkungskräfte zweier bewegungsloser, punktförmig geladener Körper sind entlang der diese Körper verbindenden Geraden gerichtet.

Einheit der elektrischen Ladung

Die Stromeinheit ist das Ampere.

Ein Anhänger(1 Kl) - Dies ist die Ladung, die in 1 s durch den Querschnitt des Leiters bei einer Stromstärke von 1 A fließt

g [Coulomb=Cl]

e=1,610 -19 C

- elektrische Konstante

NAH- UND DISTANZAKTION

Die Annahme, dass die Interaktion zwischen voneinander entfernten Körpern immer mit Hilfe von Zwischengliedern (oder Medien) erfolgt, die die Interaktion von Punkt zu Punkt übertragen, ist die Essenz der Theorie der Kurzstreckenwirkung. Verteilung mit Endgeschwindigkeit.

Theorie der direkten Aktion in einiger Entfernung direkt über die Leere. Nach dieser Theorie werden Handlungen augenblicklich über beliebig lange Distanzen übertragen.

Beide Theorien stehen einander gegenüber. Entsprechend Theorien des Fernwirkens Ein Körper wirkt direkt durch die Leere auf einen anderen ein, und diese Aktion wird sofort übertragen.

Kurzstreckentheorie besagt, dass jede Interaktion mit Hilfe von Zwischenagenten durchgeführt wird und sich mit endlicher Geschwindigkeit ausbreitet.

Die Existenz eines bestimmten Prozesses im Raum zwischen interagierenden Körpern, der eine endliche Zeit dauert, ist die Hauptsache, die die Theorie unterscheidet Nahwirkung aus der Theorie der Fernwirkung.

Nach Faradays Idee elektrische Ladungen wirken nicht direkt aufeinander. Jeder von ihnen erzeugt ein elektrisches Feld im umgebenden Raum. Das Feld einer Ladung wirkt auf eine andere Ladung und umgekehrt. Wenn Sie sich von der Ladung entfernen, wird das Feld schwächer.

Elektromagnetische Wechselwirkungen müssen sich mit endlicher Geschwindigkeit im Raum ausbreiten.

Das elektrische Feld existiert in der Realität, seine Eigenschaften können empirisch untersucht werden, aber wir können nicht sagen, woraus dieses Feld besteht.

Über die Natur des elektrischen Feldes können wir sagen, dass das Feld materiell ist; es ist ein Substantiv. unabhängig von uns, von unserem Wissen darüber;

Das Feld hat bestimmte Eigenschaften, die es nicht zulassen, dass es mit irgendetwas anderem in der umgebenden Welt verwechselt wird;

Die Haupteigenschaft eines elektrischen Feldes ist seine Wirkung auf elektrische Ladungen mit einer bestimmten Kraft;

Das elektrische Feld stationärer Ladungen wird als bezeichnet elektrostatisch. Es ändert sich nicht mit der Zeit. Ein elektrostatisches Feld entsteht nur durch elektrische Ladungen. Es existiert in dem Raum, der diese Ladungen umgibt, und ist untrennbar damit verbunden.

Elektrische Feldstärke.

Das Verhältnis der Kraft, die auf eine an einem bestimmten Punkt des Feldes platzierte Ladung zu dieser Ladung für jeden Punkt des Feldes wirkt, hängt nicht von der Ladung ab und kann als Eigenschaft des Feldes angesehen werden.

Die Feldstärke ist gleich dem Verhältnis der Kraft, mit der das Feld auf eine Punktladung wirkt, zu dieser Ladung.

Feldstärke einer Punktladung.

.

Feldstärkemodul einer Punktladung q Ö auf Distanz r daraus ist gleich:

.

Wenn an einem bestimmten Punkt im Raum verschiedene geladene Teilchen elektrische Felder erzeugen, deren Stärke usw., dann ist die resultierende Feldstärke an dieser Stelle:

STROMLEITUNGEN DER ELEKTRISCHEN POL.

FELDSTÄRKE DER AUFGELADENEN KUGEL

Man nennt ein elektrisches Feld, dessen Intensität an allen Punkten im Raum gleich ist homogen.

Die Dichte der Feldlinien ist in der Nähe von geladenen Körpern größer, wo auch die Feldstärke größer ist.

- Feldstärke einer Punktladung.

Innerhalb der leitenden Kugel (r > R) ist die Feldstärke Null.

LEITER IM ELEKTRISCHEN BEREICH.

Leiter enthalten geladene Teilchen, die sich unter dem Einfluss eines elektrischen Feldes innerhalb des Leiters bewegen können. Die Ladungen dieser Teilchen werden genannt kostenlose Gebühren.

Es gibt kein elektrostatisches Feld innerhalb des Leiters. Die gesamte statische Aufladung eines Leiters konzentriert sich auf dessen Oberfläche. Ladungen in einem Leiter können nur an seiner Oberfläche lokalisiert werden.

Unter normalen Bedingungen sind mikroskopisch kleine Körper elektrisch neutral, weil die positiv und negativ geladenen Teilchen, die Atome bilden, durch elektrische Kräfte miteinander verbunden sind und neutrale Systeme bilden. Wenn die elektrische Neutralität des Körpers verletzt wird, wird ein solcher Körper gerufen elektrifizierter Körper. Um einen Körper zu elektrifizieren, muss auf ihm ein Überschuss oder Mangel an Elektronen oder Ionen des gleichen Vorzeichens erzeugt werden.

Methoden der Elektrifizierung von Körpern, die die Wechselwirkung geladener Körper darstellen, können wie folgt aussehen:

1. Elektrifizierung von Körpern bei Kontakt. Dabei geht bei engem Kontakt ein kleiner Teil der Elektronen von einem Stoff, bei dem die Bindung zum Elektron relativ schwach ist, auf einen anderen Stoff über.
2. Elektrisierung von Körpern bei Reibung. Dadurch vergrößert sich die Kontaktfläche der Körper, was zu einer verstärkten Elektrifizierung führt.
3. Beeinflussen. Einfluss basiert Phänomen der elektrostatischen Induktion, das heißt, die Induktion einer elektrischen Ladung in einer Substanz, die in einem konstanten elektrischen Feld angeordnet ist.
4. Elektrifizierung von Körpern unter Lichteinfluss. Dies basiert auf photoelektrischer Effekt, oder photoelektrischer Effekt wenn unter Lichteinwirkung Elektronen aus dem Leiter in den umgebenden Raum fliegen können, wodurch der Leiter aufgeladen wird.

Zahlreiche Experimente zeigen, dass wann Körper Elektrifizierung, dann erscheinen auf den Körpern elektrische Ladungen gleicher Größe und entgegengesetzten Vorzeichens.

negative Ladung Körper ist auf einen Überschuss an Elektronen im Körper im Vergleich zu Protonen zurückzuführen, und positive Ladung wegen Elektronenmangel.

Wenn die Elektrifizierung des Körpers auftritt, das heißt, wenn die negative Ladung teilweise von der damit verbundenen positiven Ladung getrennt wird, Gesetz der Erhaltung der elektrischen Ladung. Der Ladungserhaltungssatz gilt für ein geschlossenes System, das von außen nicht eintritt und aus dem geladene Teilchen nicht austreten. Der Ladungserhaltungssatz wird wie folgt formuliert:

In einem abgeschlossenen System bleibt die algebraische Summe der Ladungen aller Teilchen unverändert:

q 1 + q 2 + q 3 + ... + q n = konst

wo q 1 , q 2 usw. sind die Teilchenladungen.

Wechselwirkung elektrisch geladener Körper

Interaktion von Körpern mit Ladungen gleichen oder unterschiedlichen Vorzeichens können in den folgenden Experimenten nachgewiesen werden. Wir elektrisieren den Ebonitstab, indem wir ihn am Fell reiben und ihn mit einer Metallhülse berühren, die an einem Seidenfaden hängt. Ladungen gleichen Vorzeichens (negative Ladungen) verteilen sich auf Hülse und Ebonitstab. Nähert man einen negativ geladenen Ebonitstab einer geladenen Patronenhülse, so sieht man, dass die Patronenhülse von der Stange abgestoßen wird (Abb. 1.2).

Reis. 1.2. Wechselwirkung von Körpern mit Ladungen gleichen Vorzeichens.

Bringen wir nun einen an Seide geriebenen Glasstab (positiv geladen) an die geladene Hülse, so wird die Hülse davon angezogen (Abb. 1.3).

Reis. 1.3. Wechselwirkung von Körpern mit Ladungen unterschiedlicher Vorzeichen.

Daraus folgt, dass sich Körper mit Ladungen gleichen Vorzeichens (wie geladene Körper) abstoßen und Körper mit Ladungen unterschiedlichen Vorzeichens (entgegengesetzt geladene Körper) sich anziehen. Ähnliche Inputs erhält man, wenn man zwei Sultane näher bringt, gleich geladen (Abb. 1.4) und entgegengesetzt geladen (Abb. 1.5).

Gesetz der Ladungserhaltung

Nicht alle Naturphänomene lassen sich mit den Begriffen und Gesetzmäßigkeiten der Mechanik, der molekularkinetischen Aufbaulehre der Materie und der Thermodynamik verstehen und erklären. Diese Wissenschaften sagen nichts über die Natur der Kräfte aus, die einzelne Atome und Moleküle binden, die Atome und Moleküle der Materie in einem bestimmten Abstand voneinander in einem festen Zustand halten. Die Wechselwirkungsgesetze von Atomen und Molekülen können auf der Grundlage der Vorstellung verstanden und erklärt werden, dass elektrische Ladungen in der Natur existieren.

Das einfachste und alltäglichste Phänomen, bei dem die Tatsache der Existenz elektrischer Ladungen in der Natur die Elektrisierung von Körpern bei Kontakt ist. Die Wechselwirkung von Körpern, die während der Elektrisierung festgestellt wird, wird als elektromagnetische Wechselwirkung bezeichnet, und die physikalische Größe, die die elektromagnetische Wechselwirkung bestimmt, wird als elektrische Ladung bezeichnet. Die Fähigkeit elektrischer Ladungen, sich anzuziehen und abzustoßen, weist auf das Vorhandensein von zwei verschiedenen Arten von Ladungen hin: positiv und negativ.

Elektrische Ladungen können nicht nur durch Elektrifizierung beim Kontakt von Körpern entstehen, sondern auch bei anderen Wechselwirkungen, beispielsweise unter Krafteinwirkung (piezoelektrischer Effekt). Aber immer in einem geschlossenen System, das keine Ladungen enthält, bleibt für irgendwelche Wechselwirkungen von Körpern die algebraische (dh unter Berücksichtigung des Vorzeichens) Summe der elektrischen Ladungen aller Körper konstant. Diese experimentell nachgewiesene Tatsache wird Ladungserhaltungssatz genannt.

Nirgendwo und niemals in der Natur entstehen und verschwinden elektrische Ladungen gleichen Vorzeichens. Das Erscheinen einer positiven Ladung wird immer von dem Erscheinen einer negativen Ladung begleitet, die im Absolutwert gleich ist, aber ein entgegengesetztes Vorzeichen hat. Weder positive noch negative Ladungen können getrennt voneinander verschwinden, wenn sie betragsmäßig gleich sind.

Das Erscheinen und Verschwinden elektrischer Ladungen auf Körpern wird in den meisten Fällen durch die Übergänge geladener Elementarteilchen - Elektronen - von einem Körper zum anderen erklärt. Wie Sie wissen, besteht die Zusammensetzung jedes Atoms aus einem positiv geladenen Kern und negativ geladenen Elektronen. In einem neutralen Atom ist die Gesamtladung der Elektronen genau gleich der Ladung des Atomkerns. Ein Körper, der aus neutralen Atomen und Molekülen besteht, hat eine elektrische Gesamtladung gleich Null.

Wenn infolge einer Wechselwirkung ein Teil der Elektronen von einem Körper zum anderen übergeht, erhält ein Körper eine negative elektrische Ladung und der zweite eine positive Ladung mit gleichem Absolutwert. Wenn zwei entgegengesetzt geladene Körper in Kontakt kommen, verschwinden normalerweise elektrische Ladungen nicht spurlos, und ein Überschuss an Elektronen geht von einem negativ geladenen Körper in einen Körper über, in dem einige Atome einen unvollständigen Elektronensatz auf ihren Schalen hatten.

Ein Sonderfall ist das Aufeinandertreffen elementar geladener Antiteilchen, beispielsweise eines Elektrons und eines Positrons. In diesem Fall verschwinden positive und negative elektrische Ladungen wirklich, vernichten sich, aber in voller Übereinstimmung mit dem Gesetz der Erhaltung der elektrischen Ladung, da die algebraische Summe der Ladungen eines Elektrons und eines Positrons gleich Null ist.