ELEKTROSTATYKA

Już starożytni Grecy wiedzieli, że potarty kawałek bursztynu przyciąga kawałki słomy. Wyraz ELEKTRON wywodzi się z greckiego słowa oznaczającego BURSZTYN Grecy zaobserwowali, że niektóre występujące w przyrodzie „kamienie” przyciągają żelazo. Rok 1820: Hans Christian Oersted znajduje związek między elektrycznością i magnetyzmem: przepływ prądu elektrycznego w przewodniku może spowodować odchylenie igły magnetycznej kompasu.

Ładunek elektryczny Ładunek elektryczny jest nieodłączną właściwością cząstek elementarnych, z których składają się wszystkie ciała, czyli właściwością, która stale towarzyszy tym cząstkom. Ciała zazwyczaj zawierają jednakowe ilości dwóch rodzajów ładunku: ładunku dodatniego i ładunku ujemnego.

Ładunek zrównoważony = ciało obojętne (neutralne) = ciało o zerowym ładunku wypadkowym. Ładunek niezrównoważony = ciało naładowane = ciało o niezerowym ładunku wypadkowym. Ładunek wypadkowy jest zawsze bardzo mały w porównaniu z ilością ładunku dodatniego i ujemnego.

- Ciała naładowane wzajemnie na siebie oddziałują. Ładunki elektryczne o takich samych znakach odpychają się, a ładunki elektryczne o przeciwnych znakach się przyciągają (siły elektrostatyczne). + + -

Znak dodatni i ujemy zostały ustalone umownie przez Benjamina Franklina. Zastosowanie: malowanie proszkowe, ksero itp...

Przewodniki i izolatory Przewodnik elektryczny – substancja, która dobrze przewodzi prąd elektryczny, a przewodzenie prądu ma charakter elektronowy. Atomy przewodnika tworzą wiązania, w których elektrony walencyjne (jeden, lub więcej) pozostają swobodne (nie związane z żadnym z atomów), tworząc w ten sposób tzw. gaz elektronowy.

Przewodniki i izolatory Izolator elektryczny, inaczej: dielektryk - materiał, w którym występuje niska koncentracja ładunków swobodnych w wyniku czego bardzo słabo przewodzony jest prąd elektryczny. Oporność właściwa dielektryków jest większa od 106 Ω m (dla dobrych przewodników, np. metali, wynosi 10−8–10−6 Ωm).

Ładunek indukowany Ładunek ujemny z pręta przyciąga ładunki dodatnie z elektrycznie obojętnej kuli. Następuje rozdzielenie ładunków dodatnich i ujemnych w kuli – pojawia się ładunek indukowany.

Tylko elektrony przewodnictwa, o ujemnych ładunkach, mogą się swobodnie poruszać. Dodatnie jony pozostają nieruchome. Ciało staje się dodatnio naładowane tylko w wyniku odpływu ładunków ujemnych.

Półprzewodniki Nadprzewodniki (opór zerowy)

Prawo Coulomba (1785 r.) Jeśli dwa ładunki punktowe q1 oraz q2 znajdują się w odległości r, to siła elektrostatyczna przyciągania lub odpychania między nimi ma wartość: k – stała elektrostatyczna r21 F21 q1 q2 F12

Przenikalność elektryczna próżni

Zasada superpozycji:

Jednorodnie naładowana powłoka kulista przyciąga lub odpycha naładowaną cząstkę znajdującą się na zewnątrz powłoki tak, jakby cały jej ładunek był skupiony w jej środku.

Ładunek elementarny e Każdy ładunek q, dodatni bądź ujemny, można zapisać w postaci: Ładunek q jest skwantowany (nie ciągły) – przyjmuje tylko wartości z dyskretnego zbioru.

Kwant ładunku jest bardzo mały. Przez włókno zwykłej żarówki 100W w każdej sekundzie przepływa około 1019 ładunków elementarnych.

Zasada zachowania ładunku Podczas np. pocierania jedwabną szmatka o pręt szklany ładunek nie jest wytwarzany, lecz tylko przekazywany z jednego ciała do drugiego, co narusza obojętność elektryczną każdego z nich.

Pole elektryczne Pole skalarne: pole temperatury, pole ciśnienia itp. Pole wektorowe – charakteryzowane jest przez rozkład wektorów dla każdego punktu wokół naładowanego ciała, np. naładowanego pręta.

Dodatni ładunek próbny q0 umieszczono w punkcie P w pobliżu naładowanego ciała. Na ładunek próbny działa siła elektrostatyczna . Natężenie pola elektrycznego , wytworzonego przez naładowane ciało w punkcie P

Natężenie pola elektrycznego: Kierunek natężenia pola jest taki sam jak kierunek siły działającej na dodatni ładunek próbny.

Linie pola elektrycznego wychodzą od ładunku dodatniego (gdzie się zaczynają) ku ładunkowi ujemnemu (gdzie się kończą).

zagęszczenie linii = wartość natężenia

Aby znaleźć pole ładunku punktowego q w dowolnym punkcie, w odległości r od tego ładunku, umieszczamy w tym punkcie ładunek próbny q0.

Pole elektryczne dipola elektrycznego

Dla z >> d, iloraz d/z << 1: p – moment dipolowy (skierowany od ładunku ujemnego do ładunku dodatniego. Natężenie pola elektrycznego pochodzącego od dipola ma ten sam kierunek co moment dipolowy.

Naładowany pierścień Dla z >> R:

Naładowana tarcza = szereg pierścieni (analogia do obliczania momentu bezwładności tarczy)

Ładunek punktowy w zewnętrznym polu elektrycznym Działająca na cząstkę siła ma ten sam kierunek co natężenie pola, jeśli ładunek q jest dodatni i ma przeciwny znak jeśli ładunek q jest ujemny.

Dipol w polu elektrycznym Na naładowane końce dipola działają siły elektrostatyczne F=qE jednorodnego pola E. Wypadkowa siła oddziaływania pola na dipol jest równa zeru i środek masy dipola się nie porusza. Jednak siły działające na naładowane końce wytwarzają wypadkowy moment siły względem środka masy dipola.

gdzie p=qd – moment dipolowy

Moment siły działający na dipol dąży do obrócenia (a stąd i dipola) w kierunku natężenia pola , czyli zmniejszenia kąta . Energia potencjalna dipola elektrycznego Max dla  = 0 Energia jest równa pracy potrzebnej na ustawienie dipola tak, aby jego moment dipolowy był równoległy do linii sił pola .

Prawo Gaussa Prawo Gaussa określa związek między natężeniem pola elektrycznego w punktach na (zamkniętej) powierzchni Gaussa i całkowitym ładunkiem objętym tą powierzchnią.

- szybkość przepływu przez powierzchnię S, czyli STRUMIEŃ S - wektor równy polu powierzchni i do niej prostopadły

Powierzchnia Gaussa w niejednorodnym polu elektrycznym.

Strumień elektryczny  przenikający przez powierzchnię Gaussa jest proporcjonalny do całkowitej liczby linii pola elektrycznego, przechodzącego przez tą powierzchnię.

qwewn>0 – strumień na zewnątrz qwewn<0 – strumień do wewnątrz Prawo Gaussa Prawo Gaussa opisuje związek między strumieniem  pola elektrycznego, przenikającym przez zamkniętą powierzchnię i całkowitym ładunkiem qwewn, zawartym wewnątrz tej powierzchni. qwewn>0 – strumień na zewnątrz qwewn<0 – strumień do wewnątrz

Prawo Gaussa a prawo Coulomba

Powłoka sferyczna naładowana jednorodnie przyciąga lub odpycha cząstkę naładowaną, znajdującą się na zewnątrz powłoki tak, jakby cały ładunek powłoki był skupiony w środku powłoki. Powłoka sferyczna naładowana jednorodnie nie działa siła elektrostatyczną na cząstkę naładowaną znajdującą się wewnątrz powłoki.

Symetria sferyczna Symetria walcowa Symetria płaszczyznowa Symetria płaszczyznowa x2 (między dwoma płytkami)

POTENCJAŁ ELEKTRYCZNY c.d.n.