Przeczytaj
Warto przeczytać
Elektrostatyka jest działem fizyki, który opisuje spoczywające ładunki elektryczne i oddziaływania między nimi.
Wyróżniamy dwa rodzaje ładunków: dodatnie i ujemne. Jeśli ilość ładunków dodatnich i ujemnych w ciele jest taka sama, to mówimy, że ciało jest elektrycznie obojętne. Jeśli przeważa jeden rodzaj ładunków to mówimy, że ciało jest naelektryzowane.
Wyróżniamy trzy sposoby elektryzowania ciał: przez pocieranie, przez dotyk - ładunki przepływają między ciałami (ten rodzaj naelektryzowania jest trwały), przez indukcję – ładunki przesuwają się w obrębie elektryzowanego ciała (ten rodzaj naelektryzowania nie jest trwały).
W zamkniętym układzie całkowity ładunek zawsze jest stały, mówi nam o tym zasada zachowania ładunku. Jednak może być on przenoszony między ciałami w ramach tego układu.
O tym, w jaki sposób oddziaływają ze sobą dwa ładunki, mówi nam prawo Coulomba:
Siła F działająca między dwoma ładunkami punktowymi qIndeks dolny 11 i qIndeks dolny 22 znajdującymi się w odległości r od siebie jest proporcjonalna do iloczynu wartości tych ładunków i odwrotnie proporcjonalna do kwadratu odległości między nimi:
Współczynnik proporcjonalności k w próżni wynosi .
Jeśli ładunki są jednoimienne (tzn. dwa dodatnie lub oba ujemne), to się odpychają, jeśli są różnoimienne, to się przyciągają.
Jeśli na umieszczone w pewnej przestrzeni naładowane ciało działa siła elektrostatyczna, która jest proporcjonalna do ładunku tego ciała, to mówimy, że w tej przestrzeni istnieje pole elektryczne.
Pole elektryczne możemy zilustrować graficznie za pomocą linii pola. Zwrot linii pola jest taki, jak zwrot siły działającej na próbny ładunekpróbny ładunek dodatni umieszczony w opisywanym polu.
Rozkład linii sił pola wokół ładunku punktowego obrazuje Rys. 1a i 1b, natomiast rozkład linii pola dla dwóch ładunków pokazuje Rys. 1c i 1d.
Jeśli na pewnym ciele o powierzchni S znajduje się ładunek q, to stosunek ładunku do powierzchni, na której się on znajduje, nazywamy gęstością powierzchniową ładunku i oznaczamy go grecką literą sigma „”:
- gęstość powierzchniowa ładunku
q – wartość ładunku elektrycznego [C]
S - pole powierzchni, na której znajduje się ładunek []
Z punktu widzenia własności elektrycznych ciała możemy podzielić na przewodniki – w których ładunki mogą poruszać się swobodnie i izolatory (dielektryki) – w których nie jest możliwy swobodny ruch ładunków.
Układ dwóch równoległych płyt przewodzących ustawionych w niewielkiej odległości od siebie tworzy kondensator płaski. Kondensator służy do magazynowania energii. Ładujemy go poprzez naniesienie na okładki ładunków elektrycznych. Na Rys. 2. przedstawiono schemat naładowanego kondensatora płaskiego.
Część rozszerzona:
jeżeli na jednostkowy dodatni ładunek próbny działa siła , to iloraz tej siły do wartości ładunku q nazywamy natężeniem pola elektrycznego i oznaczamy go symbolem
Uogólnieniem prawa Coulomba jest prawo Gaussa. Mówi ono, że strumień phiIndeks dolny EE natężenia pola elektrycznego przenikający przez powierzchnię zamkniętą S jest równy sumarycznemu ładunkowi q wewnątrz tej powierzchni podzielonemu przez przenikalność elektryczną próżniprzenikalność elektryczną próżni :
Czyli:
Na Rys. 2. przedstawiającym kondensator, zaznaczono linie sił pola elektrycznego między okładkami. Wartość natężenia pola w kondensatorze płaskim E zależy od różnicy potencjałów na jego okładkach i odległości miedzy nimi d:
Ważną wielkością fizyczną, charakteryzującą właściwości elektryczne przewodnika jest pojemność elektryczna. Oznaczmy ją literą C. Miarą tej wielkości jest stosunek zgromadzonego na przewodniku ładunku q do różnicy potencjałów przewodnika jaki ten ładunek wytworzy:
Pojemność elektryczna dotyczy tylko materiałów określanych jako przewodniki. Dla kondensatora płaskiego o powierzchni okładek S i odległości między nimi d, pojemność możemy wyznaczyć także na podstawie jego parametrów geometrycznych. Korzystając ze wzoru:
gdzie to przenikalność elektryczna próżni (), a to przenikalność względna dielektryka (umieszczenie dielektryka między okładkami kondensatora zwiększa jego pojemność), dla powietrza .
Kondensatory możemy łączyć. Aby zwiększyć pojemność układu, kondensatory łączymy równolegle (Rys. 3a), aby zwiększyć napięcie (różnicę potencjałów) kondensatory łączymy szeregowo (Rys. 3b).
Aby obliczyć ładunek, różnicę potencjałów i pojemność układu kondensatorów, wyliczamy te parametry dla kondensatora zastępczego (hipotetycznego kondensatora, który mógłby zastąpić badany układ):
Połączenie szeregowe | Połączenie równoległe | |
Ładunek zgromadzony na kondensatorze zastępczym Q | ||
Różnica potencjałów na kondensatorze zastępczym | ||
Pojemność kondensatora zastępczego C |
Najważniejsze jednostki:
nazwa | symbol | Co opisuje jednostka | Wyrażona jednostkach podstawowych Si |
niuton | N | jednostka siły | |
farad | F | Jednostka pojemności | |
wolt | V | jednostka napięcia elektrycznego oraz potencjału elektrycznego | |
kulomb | C | jednostka pojemności elektrycznej |
Słowniczek
(ang.: vacuum permittivity) wielkość charakteryzująca właściwości elektryczne próżni. Oznaczamy ja symbolem . Przenikalność elektryczna próżni ma wartość stałą równą i jest wyrażona w faradach na metr .
(ang.: point charge) ładunek punktowy o znaku dodatnim pozwalający wykryć istnienie pola elektrycznego. Wytwarzane przezeń pole jest zaniedbywalnie małe w stosunku do pola wytwarzanego przez inne ładunki.