A eletrostática estuda as propriedades e interações de cargas estacionárias no referencial em que são consideradas.

Na natureza, existem apenas dois tipos de cargas elétricas - negativas e positivas. Uma carga positiva pode ocorrer em um bastão de vidro esfregado com a pele, e uma carga negativa pode ocorrer em âmbar esfregado com um pano de lã.

Sabemos que todos os corpos são feitos de átomos. Por sua vez, um átomo consiste em um núcleo carregado positivamente e elétrons que giram em torno dele. Como os elétrons têm carga negativa e o núcleo é positivo, o átomo como um todo é eletricamente neutro. Quando exposto a ele do lado de fora, ele pode perder um ou mais elétrons e se transformar em um íon carregado positivamente. No caso de um átomo (ou molécula) anexar um elétron adicional a si mesmo, ele se transformará em um íon negativo.

Assim, a carga elétrica pode existir na forma de íons e elétrons negativos ou positivos. Existe um tipo de "eletricidade livre" - elétrons negativos. Portanto, se um corpo tem carga positiva, não tem elétrons suficientes e, se tem carga negativa, tem excesso.

As propriedades elétricas de qualquer substância são determinadas por sua estrutura atômica. Os átomos podem perder até mesmo alguns elétrons, caso em que são chamados de ionizados multiplicados. O núcleo de um átomo é formado por prótons e nêutrons. Cada próton carrega uma carga que é igual à do elétron, mas de sinal oposto. Os nêutrons são partículas eletricamente neutras (não têm carga elétrica).

Além de prótons e elétrons, outras partículas elementares também possuem carga elétrica. A carga elétrica é parte integrante das partículas elementares.

A menor carga é considerada a carga igual à carga do elétron. Também é chamada de carga elementar, que é igual a 1,6 10 -19 C. Qualquer carga é um múltiplo de um número inteiro de cargas de elétrons. Portanto, a eletrificação do corpo não pode ocorrer continuamente, mas apenas em etapas (discretamente), pelo valor da carga do elétron.

Se um corpo carregado positivamente começar a ser recarregado (carregado com eletricidade negativa), sua carga não mudará instantaneamente, mas primeiro diminuirá para zero e só então adquirirá um potencial negativo. A partir disso, podemos concluir que eles se compensam. Este fato levou os cientistas à conclusão de que em corpos "descarregados" sempre há cargas de sinais positivos e negativos, que estão contidas em tais quantidades que sua ação se compensa completamente.

Quando eletrizado por atrito, os "elementos" negativos e positivos contidos no "corpo não carregado" são separados. Como resultado do movimento dos elementos negativos do corpo (elétrons), ambos os corpos são eletrificados, e um deles é negativo e o segundo é positivo. A quantidade de "fluxo" de um elemento para outro permanece constante durante todo o processo.

A partir disso pode-se concluir que encargos não são são criados e não desaparecem, mas apenas “fluem” de um corpo para outro ou se movem dentro dele. Esta é a essência da lei de conservação das cargas elétricas. Durante o atrito, muitos materiais estão sujeitos à eletrificação - ebonita, vidro e muitos outros. Em muitas indústrias (têxtil, papel e outras), a presença de eletricidade estática é um sério problema de engenharia, pois a eletrificação de elementos causada pelo atrito de papel, tecido ou outros produtos de produção em peças de máquinas pode causar incêndios e explosões.

A lei da conservação da carga pode ser formulada de forma mais resumida - em um sistema isolado, a soma algébrica dos elementos carregados permanece constante:

Essa lei também é válida para as transformações mútuas de várias partículas elementares que compõem o átomo e o núcleo como um todo.

Leva ao fato de que a lei de conservação de carga tem local caráter: a mudança de carga em qualquer volume predeterminado é igual ao fluxo de carga através de seu limite. Na formulação original, seria possível o seguinte processo: a carga desaparece em um ponto do espaço e surge instantaneamente em outro. No entanto, tal processo seria relativisticamente não invariante: devido à relatividade da simultaneidade, em alguns referenciais, a carga apareceria em um novo local antes de desaparecer no anterior e, em alguns, a carga apareceria em um novo lugar algum tempo depois de desaparecer no anterior. Ou seja, haveria um período de tempo durante o qual a carga não seria conservada. A exigência de localidade nos permite escrever a lei de conservação de carga na forma diferencial e integral.

A lei da conservação da carga na forma integral

Lembre-se de que a densidade de fluxo de carga elétrica é simplesmente a densidade de corrente. O fato de que a mudança de carga no volume é igual à corrente total através da superfície pode ser escrito na forma matemática:

Aqui Ω é alguma região arbitrária no espaço tridimensional, é o limite desta região, ρ é a densidade de carga, é a densidade de corrente (densidade de fluxo de carga elétrica) através do limite.

A lei da conservação da carga na forma diferencial

Passando para um volume infinitesimal e usando o teorema de Stokes conforme necessário, podemos reescrever a lei de conservação de carga em uma forma diferencial local (equação de continuidade)

Lei de conservação de carga em eletrônica

As regras de Kirchhoff para correntes seguem diretamente da lei de conservação de carga. A combinação de condutores e componentes radioeletrônicos é representada como um sistema aberto. O influxo total de cargas em um determinado sistema é igual à saída total de cargas do sistema. As regras de Kirchhoff assumem que um sistema eletrônico não pode alterar significativamente sua carga total.

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lei da conservação da carga elétrica

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Ao eletrificar corpos, lei da conservação da carga elétrica. Esta lei é válida para um sistema fechado. Em um sistema fechado, a soma algébrica das cargas de todas as partículas permanece inalterada . Se as cargas das partículas são denotadas por q 1 , q 2 etc., então

q 1 + q 2 + q 3 + … + q n= const.

A lei básica da eletrostática é a lei de Coulomb

Se a distância entre os corpos for muitas vezes maior que seu tamanho, nem a forma nem o tamanho dos corpos carregados afetarão significativamente as interações entre eles. Nesse caso, esses corpos podem ser considerados como corpos pontuais.

A força de interação de corpos carregados depende das propriedades do meio entre os corpos carregados.

A força de interação de dois corpos carregados imóveis no vácuo é diretamente proporcional ao produto dos módulos de carga e inversamente proporcional ao quadrado da distância entre eles. Essa força é chamada de força de Coulomb.

|q 1 | e | q 2 | - módulos de cargas de corpos,

r- a distância entre eles,

k- coeficiente de proporcionalidade.

F- força de interação

As forças de interação de dois corpos puntiformes imóveis são direcionadas ao longo da linha reta que conecta esses corpos.

Unidade de carga elétrica

A unidade de corrente é o ampere.

Um pingente(1 Cl) - esta é a carga que passa em 1 s através da seção transversal do condutor com uma intensidade de corrente de 1 A

g[Coulomb=Cl]

e=1,610 -19 C

- constante elétrica

AÇÃO PRÓXIMA E DISTÂNCIA

A suposição de que a interação entre corpos distantes um do outro é sempre realizada com o auxílio de elos intermediários (ou meio) que transferem a interação ponto a ponto, é a essência da teoria da ação de curto alcance. Distribuição com velocidade final.

Teoria da ação direta a uma distância diretamente através do vazio. De acordo com essa teoria, a ação é transmitida instantaneamente por distâncias arbitrariamente longas.

Ambas as teorias se opõem mutuamente. De acordo com teorias da ação à distância um corpo age sobre outro diretamente através do vazio e essa ação é transmitida instantaneamente.

Teoria de curto alcance afirma que qualquer interação é realizada com a ajuda de agentes intermediários e se propaga com uma velocidade finita.

A existência de um certo processo no espaço entre corpos em interação, que dura um tempo finito - isso é a principal coisa que distingue a teoria ação de curto alcance da teoria da ação à distância.

De acordo com a ideia de Faraday cargas elétricas não agem diretamente umas sobre as outras. Cada um deles cria um campo elétrico no espaço circundante. O campo de uma carga atua sobre outra carga e vice-versa. À medida que você se afasta da carga, o campo enfraquece.

As interações eletromagnéticas devem se propagar no espaço a uma velocidade finita.

O campo elétrico existe na realidade, suas propriedades podem ser estudadas empiricamente, mas não podemos dizer em que consiste esse campo.

Sobre a natureza do campo elétrico, podemos dizer que o campo é material; é substantivo. independentemente de nós, do nosso conhecimento;

O campo tem certas propriedades que não permitem que seja confundido com qualquer outra coisa do mundo circundante;

A principal propriedade de um campo elétrico é sua ação sobre cargas elétricas com certa força;

O campo elétrico de cargas estacionárias é chamado eletrostático. Não muda com o tempo. Um campo eletrostático é criado apenas por cargas elétricas. Ela existe no espaço que envolve essas cargas e está inextricavelmente ligada a ela.

Força do campo elétrico.

A razão entre a força que atua sobre uma carga colocada em um dado ponto do campo e essa carga para cada ponto do campo não depende da carga e pode ser considerada como uma característica do campo.

A intensidade do campo é igual à razão entre a força com que o campo atua sobre uma carga puntiforme e essa carga.

Força de campo de uma carga pontual.

.

Módulo de intensidade de campo de uma carga pontual q o na distância r dele é igual a:

.

Se em um determinado ponto do espaço, várias partículas carregadas criam campos elétricos, cujas intensidades etc., então a intensidade de campo resultante neste ponto é:

LINHAS DE ENERGIA DO POL ELÉTRICO.

FORÇA DE CAMPO DA BOLA CARREGADA

Um campo elétrico cuja intensidade é a mesma em todos os pontos do espaço é chamado homogênea.

A densidade das linhas de campo é maior perto de corpos carregados, onde a intensidade do campo também é maior.

- intensidade de campo de uma carga pontual.

Dentro da esfera condutora (r > R), a intensidade do campo é zero.

CONDUTORES EM CAMPO ELÉTRICO.

Condutores contêm partículas carregadas que podem se mover dentro do condutor sob a influência de um campo elétrico. As cargas dessas partículas são chamadas de cobranças gratuitas.

Não há campo eletrostático dentro do condutor. Toda a carga estática de um condutor está concentrada em sua superfície. As cargas em um condutor só podem estar localizadas em sua superfície.

Sob condições normais, os corpos microscópicos são eletricamente neutros porque as partículas carregadas positiva e negativamente que formam os átomos estão conectadas umas às outras por forças elétricas e formam sistemas neutros. Se a neutralidade elétrica do corpo é violada, esse corpo é chamado corpo eletrificado. Para eletrizar um corpo, é necessário que se crie nele um excesso ou deficiência de elétrons ou íons de mesmo signo.

Métodos de eletrificação de corpos, que representam a interação de corpos carregados, pode ser como segue:

1. Eletrificação de corpos por contato. Nesse caso, com contato próximo, uma pequena parte dos elétrons passa de uma substância, na qual a ligação com o elétron é relativamente fraca, para outra substância.
2. Eletrização dos corpos durante o atrito. Isso aumenta a área de contato dos corpos, o que leva ao aumento da eletrificação.
3. Influência. A influência é baseada fenômeno da indução eletrostática, ou seja, a indução de uma carga elétrica em uma substância colocada em um campo elétrico constante.
4. Eletrificação dos corpos sob a ação da luz. Isso é baseado em efeito fotoelétrico, ou efeito fotoelétrico quando, sob a ação da luz, os elétrons podem voar para fora do condutor para o espaço circundante, como resultado do qual o condutor é carregado.

Numerosos experimentos mostram que quando eletrificação do corpo, então as cargas elétricas aparecem nos corpos, iguais em magnitude e opostos em sinal.

carga negativa corpo é devido a um excesso de elétrons no corpo em comparação com prótons, e carga positiva por falta de elétrons.

Quando ocorre a eletrificação do corpo, ou seja, quando a carga negativa é parcialmente separada da carga positiva associada a ele, lei da conservação da carga elétrica. A lei da conservação da carga é válida para um sistema fechado, que não entra do lado de fora e do qual não saem partículas carregadas. A lei de conservação da carga elétrica é formulada da seguinte forma:

Em um sistema fechado, a soma algébrica das cargas de todas as partículas permanece inalterada:

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

onde q 1 , q 2 etc. são as cargas das partículas.

Interação de corpos eletricamente carregados

Interação de corpos, tendo cargas de sinais iguais ou diferentes, pode ser demonstrado nas seguintes experiências. Nós eletrificamos o bastão de ebonite esfregando-o contra a pele e encostando-o em uma manga de metal suspensa em um fio de seda. Cargas de mesmo sinal (cargas negativas) são distribuídas na manga e no bastão de ebonita. Aproximando-se um bastão de ebonite carregado negativamente de um cartucho carregado, pode-se ver que o cartucho será repelido do bastão (Fig. 1.2).

Arroz. 1.2. Interação de corpos com cargas de mesmo sinal.

Se agora trouxermos um bastão de vidro esfregado na seda (carregado positivamente) para a manga carregada, então a manga será atraída por ela (Fig. 1.3).

Arroz. 1.3. Interação de corpos com cargas de diferentes signos.

Segue-se que corpos com cargas de mesmo sinal (como corpos carregados) se repelem, e corpos com cargas de sinais diferentes (corpos com cargas opostas) se atraem. Insumos semelhantes são obtidos se dois sultões são aproximados, com cargas semelhantes (Fig. 1.4) e cargas opostas (Fig. 1.5).

Lei da conservação da carga

Nem todos os fenômenos naturais podem ser entendidos e explicados com base nos conceitos e leis da mecânica, na teoria cinética molecular da estrutura da matéria e na termodinâmica. Essas ciências não dizem nada sobre a natureza das forças que unem átomos e moléculas individuais, mantêm os átomos e moléculas da matéria em estado sólido a uma certa distância uns dos outros. As leis de interação de átomos e moléculas podem ser compreendidas e explicadas com base na ideia de que as cargas elétricas existem na natureza.

O fenômeno mais simples e cotidiano, em que o fato da existência de cargas elétricas na natureza, é a eletrização de corpos em contato. A interação de corpos detectados durante a eletrização é chamada de interação eletromagnética, e a quantidade física que determina a interação eletromagnética é chamada de carga elétrica. A capacidade das cargas elétricas de atrair e repelir indica a presença de dois tipos diferentes de cargas: positivas e negativas.

As cargas elétricas podem aparecer não apenas como resultado da eletrificação quando os corpos entram em contato, mas também durante outras interações, por exemplo, sob a influência da força (efeito piezoelétrico). Mas sempre em um sistema fechado, que não inclui cargas, para quaisquer interações de corpos, a soma algébrica (isto é, levando em conta o sinal) das cargas elétricas de todos os corpos permanece constante. Este fato estabelecido experimentalmente é chamado de lei da conservação da carga elétrica.

Em nenhum lugar e nunca na natureza as cargas elétricas do mesmo signo surgem e desaparecem. O aparecimento de uma carga positiva é sempre acompanhado pelo aparecimento de uma carga negativa igual em valor absoluto, mas de sinal oposto. Nem cargas positivas nem negativas podem desaparecer separadamente uma da outra se forem iguais em valor absoluto.

O aparecimento e desaparecimento de cargas elétricas em corpos na maioria dos casos é explicado pelas transições de partículas carregadas elementares - elétrons - de um corpo para outro. Como você sabe, a composição de qualquer átomo inclui um núcleo carregado positivamente e elétrons carregados negativamente. Em um átomo neutro, a carga total dos elétrons é exatamente igual à carga do núcleo atômico. Um corpo constituído por átomos e moléculas neutros tem uma carga elétrica total igual a zero.

Se, como resultado de qualquer interação, parte dos elétrons passa de um corpo para outro, um corpo recebe uma carga elétrica negativa e o segundo - uma carga positiva igual em valor absoluto. Quando dois corpos de cargas opostas entram em contato, geralmente as cargas elétricas não desaparecem sem deixar vestígios, e um número excessivo de elétrons passa de um corpo carregado negativamente para um corpo no qual alguns dos átomos tinham um conjunto incompleto de elétrons em suas camadas.

Um caso especial é o encontro de antipartículas elementares carregadas, por exemplo, um elétron e um pósitron. Nesse caso, as cargas elétricas positivas e negativas realmente desaparecem, aniquilam-se, mas em plena conformidade com a lei de conservação da carga elétrica, já que a soma algébrica das cargas de um elétron e de um pósitron é igual a zero.