Электростатика. 
Постоянный электрический ток

Электрическое поле есть разновидность материи, посредством которой осуществляется силовое воздействие на электрические заряды, находящиеся в этом поле. Электрические заряды взаимодействуют с силой, определяемой по закону Кулона: F = К Q1Q2/r2;

K=

(нм2/Кл2) (в вакууме),.

где Q1 и Q2 — заряды,.

= 8,85 10−12ф/м — электрическая постоянная (Си),.

r — расстояние между зарядами.

Количественной характеристикой электрического поля является вектор напряженности. Напряженность электрического поля Е в данной точке равна отношению силы, действующей на заряд, к величине этого заряда: = /. Единица напряженности в СИ: I В/м = I Н/Кл. Для наглядного представления электрического поля его изображают при помощи силовых линий. Силовые линии указывают направление напряженности электрического поля: в любой точке напряженность поля направлена по касательной к силовой линии. Силовые линии начинаются на положительных зарядах и заканчиваются на отрицательных. Силовые линии никогда не пересекаются. Число силовых линий, пронизывающих некоторую поверхность (реальную или воображаемую), расположенную в электрическом поле, называется потоком вектора напряженности электрического поля (N) через эту поверхность. Если поверхность перпендикулярна силовым линиям и напряженность поля Е одинакова на всей поверхности, то N =ES.

9.3 Если в некоторой точке поля «а» заряд q обладает потенциальной энергии Wn, то электрический потенциал равен. Единицей потенциала является Дж/Кл, этой единице присвоено наименование вольт (В).

Потенциал любой точки поля, создаваемый отрицательным зарядом, будет отрицательным. Реально можно измерить только изменение потенциала, т. е. разность потенциалов между двумя точками:

Единица разности потенциалов такая же, как и потенциала, т. е. вольт. Разность потенциалов называют так же электрическим напряжением (напряжение). Напряженность Е равна градиенту потенциала, откуда определяется единица напряженности в СИ:

Е =; = .

Биопотенциалами называют разности электрических потенциалов, существующих между различными частями живого организма. Имеется разность потенциалов между наружной и внутренней поверхностями клеточных мембран, наружная поверхность имеет положительный потенциал по отношению к внутренней поверхности мембраны. Разность потенциалов мембраны невозбужденной клетки называется потенциалом покоя, а возбужденной (при раздражении механическим, тепловым, электрическим фактором) — потенциалом действия.

Таблица — Биопотенциалы для некоторых клеток

По теории биоэлектрических потенциалов, их возникновение обусловлено тем, что мембрана избирательно пропускает одни ионы и задерживает другие.

Проводниками называются вещества, в которых есть свободные электрические заряды, способные перемещаться под действием электрического поля. Проводниками являются металлы, водные растворы солей, кислот и др., и ионизированные газы. При помещении проводника в электрическое поле происходит явление электростатической индукции, т. е. на концах проводника проявляются разноименные заряды.

Под влиянием электрического поля свободные электроны будут перемещаться против поля и соберутся на одном конце проводника, а другой конец останется положительно заряженным. Внутри проводника возникает дополнительное поле, которое будет направлено противоположно внешнему. Перераспределение зарядов будет происходить до тех пор, пока это поле не станет равным внешнему. Результирующее поле внутри проводника становится равным нулю, т. е. проводник является эквипотенциальным телом, и поверхность проводника есть эквипотенциальная.

На этом свойстве проводников основана электрическая защита: прибор, который нужно защитить от действия внешнего электрического поля, окружают со всех сторон проводником, например, густой металлической сеткой, обычно заземленной, которая играет роль экрана.

Диэлектриками называются вещества, не проводящие электрического тока. К диэлектриками относятся твердые тела, такие, как эбонит, фарфор, жидкости (например, чистая вода), газы (водород, азот). При внесении диэлектрика в электрическое поле происходит его поляризация, т. е. смещение связанных электрических зарядов. В результате та часть его поверхности, в которую входят силовые линии, заряжается отрицательно, а противоположная положительно. В диэлектрике создается дополнительное поле Е1, направленное против внешнего поля Е0. Результирующая напряженность Е поля в диэлектрике меньше: Е= Е0 — Е1.

Отношение напряженности поля в вакууме к напряженности поля в однородной изотропной диэлектрической среде называется относительной диэлектрической проницаемостью этой среды: = Е0/Е; — величина безразмерная.

Поляризация в диэлектриках связана с существованием в диэлектрике или образованием в нем под действием электрического поля электрических диполей, т. е. систем, состоящих из двух равных, но противоположных по знаку зарядов (q), находящихся на расстоянии (L) друг от друга. Основная характеристика диполя — его дипольный момент (), т. е. вектор, количественно равный произведению величины заряда на длину диполя (= q) и направленный от отрицательного заряда к положительному.

Условно можно выделить три класса диэлектриков:

С полярными молекулами;

С неполярными молекулами;

Кристаллические (ионные).

К первому классу принадлежат такие вещества, как вода, нитробензол и др. Молекулы этих диэлектриков не симметричны, центры их положительных и отрицательных зарядов не совпадают, и они обладают электрическим моментом диполя даже в случае, когда электрического поля нет. При отсутствии электрического поля дипольные моменты молекул ориентированы хаотически.

Если диэлектрики поместить в электрическое поле, то дипольные моменты молекул стремятся ориентироваться вдоль поля, однако полной ориентации не будет вследствие молекулярного теплового хаотического движения. Поляризация диэлектриков первого класса называется ориентационной или дипольной.

Ко второму классу диэлектриков относятся такие вещества (например, водород, кислород и др.), молекулы которых при отсутствии электрического поля не имеют дополнительных моментов. В таких молекулах заряды электронов и ядер расположены так, что центры положительных и отрицательных зарядов совпадают.

Если неполярную молекулу поместить в электрическое поле, то разноименные заряды несколько сместятся в противоположные стороны, и молекула будет иметь дипольный момент. Поляризация для данного (второго) класса диэлектриков называется электронной.

Третий класс — кристаллические диэлектрики (например, хлористый натрий), решетки которых состоят из положительных и отрицательных ионов подобно диполю. В электрическом поле эти диполи деформируются, если их оси направлены по полю, и укорачиваются, если оси направлены против поля. Такая поляризация, характерная для третьего класса диэлектриков, называется ионной.

ТАБЛИЦА-Диэлектрическая проницаемость

Электрическим током называется упорядоченное движение электрических зарядов.

За направление тока принято считать направление движения положительных зарядов. Отношение заряда, переносимого через поперечное сечение проводника за интервал времени к этому интервалу времени, называется силой тока.

J = .

Единицы силы тока в СИ ампер (А):

I, А = I Кл/с.

Ток, сила тока и направление которого не изменяется со временем, называется постоянным.