Quali sezioni comprende l'elettrostatica? Elettrostatica

... Tutte le previsioni dell'elettrostatica derivano dalle sue due leggi.
Ma una cosa è esprimere queste cose matematicamente, un’altra è esprimerle
usali con facilità e con la giusta dose di spirito.
Richard Feynmann

L'elettrostatica studia l'interazione delle cariche stazionarie. Esperimenti chiave nel campo dell'elettrostatica furono condotti nei secoli XVII e XVIII. Con la scoperta dei fenomeni elettromagnetici e la rivoluzione tecnologica che essi produssero, per qualche tempo si perse l'interesse per l'elettrostatica. Tuttavia, la moderna ricerca scientifica mostra l'enorme importanza dell'elettrostatica per comprendere molti processi della natura vivente e inanimata.

Elettrostatica e vita

Nel 1953, gli scienziati americani S. Miller e G. Urey dimostrarono che uno degli "elementi costitutivi della vita" - gli amminoacidi - può essere ottenuto facendo passare una scarica elettrica attraverso un gas simile nella composizione all'atmosfera primitiva della Terra, costituito di metano, ammoniaca, idrogeno e vapore acqueo. Nei successivi 50 anni altri ricercatori ripeterono questi esperimenti e ottennero gli stessi risultati. Quando brevi impulsi di corrente attraversano i batteri, nel loro guscio (membrana) compaiono dei pori, attraverso i quali possono passare frammenti di DNA di altri batteri, innescando uno dei meccanismi dell'evoluzione. Pertanto, l'energia necessaria per l'origine della vita sulla Terra e la sua evoluzione potrebbe effettivamente essere l'energia elettrostatica delle scariche dei fulmini (Fig. 1).

Come l'elettrostatica provoca i fulmini

In ogni momento, circa 2.000 fulmini lampeggiano in diversi punti della Terra, circa 50 fulmini colpiscono la Terra ogni secondo e ogni chilometro quadrato della superficie terrestre viene colpito da fulmini in media sei volte all'anno. Già nel XVIII secolo Benjamin Franklin dimostrò che i fulmini che colpiscono le nuvole temporalesche sono scariche elettriche che trasportano negativo carica. Inoltre, ciascuna delle scariche fornisce alla Terra diverse decine di coulomb di elettricità e l'ampiezza della corrente durante un fulmine varia da 20 a 100 kiloampere. La fotografia ad alta velocità ha dimostrato che un fulmine dura solo decimi di secondo e che ogni fulmine è composto da diversi fulmini più brevi.

Utilizzando strumenti di misura installati su sonde atmosferiche, all'inizio del XX secolo, fu misurato il campo elettrico terrestre, la cui intensità in superficie risultò essere di circa 100 V/m, che corrisponde ad una carica totale del pianeta di circa 400.000 C. I portatori di cariche nell'atmosfera terrestre sono ioni, la cui concentrazione aumenta con l'altitudine e raggiunge il massimo ad un'altitudine di 50 km, dove sotto l'influenza della radiazione cosmica si è formato uno strato elettricamente conduttivo: la ionosfera. Possiamo quindi dire che il campo elettrico terrestre è il campo di un condensatore sferico con una tensione applicata di circa 400 kV. Sotto l'influenza di questa tensione, dagli strati superiori a quelli inferiori scorre continuamente una corrente di 2–4 kA, la cui densità è (1–2) 10 –12 A/m 2, e l'energia viene rilasciata a 1,5 GW. E se non ci fossero i fulmini, questo campo elettrico scomparirebbe! Si scopre che con il bel tempo il condensatore elettrico della Terra si scarica e durante un temporale si carica.

Una nube temporalesca è un'enorme quantità di vapore, parte del quale si è condensato in minuscole goccioline o banchi di ghiaccio. La parte superiore di una nube temporalesca può trovarsi ad un'altitudine di 6–7 km e la parte inferiore può rimanere sospesa dal suolo ad un'altitudine di 0,5–1 km. Al di sopra dei 3-4 km le nuvole sono costituite da banchi di ghiaccio di diverse dimensioni, poiché lì la temperatura è sempre inferiore allo zero. Questi pezzi di ghiaccio sono in costante movimento, causato dalle correnti ascendenti di aria calda che salgono dal basso dalla superficie riscaldata della terra. Piccoli pezzi di ghiaccio sono più leggeri di quelli grandi e vengono portati via dalle correnti d'aria in aumento e si scontrano con quelli grandi lungo il percorso. Con ciascuna di queste collisioni, si verifica l'elettrificazione, in cui grandi pezzi di ghiaccio vengono caricati negativamente e quelli piccoli positivamente. Nel corso del tempo, piccoli pezzi di ghiaccio caricati positivamente si raccolgono principalmente nella parte superiore della nuvola e quelli grandi caricati negativamente nella parte inferiore (Fig. 2). In altre parole, la parte superiore della nuvola viene caricata positivamente e la parte inferiore negativamente. In questo caso, le cariche positive vengono indotte sul terreno direttamente sotto la nube temporalesca. Ora tutto è pronto per una scarica fulminea, in cui si verifica la rottura dell'aria e la carica negativa dal fondo della nube temporalesca fluisce verso la Terra.

È tipico che prima di un temporale l'intensità del campo elettrico terrestre possa raggiungere i 100 kV/m, ovvero 1000 volte superiore al suo valore in caso di bel tempo. Di conseguenza, la carica positiva di ciascun capello sulla testa di una persona in piedi sotto una nuvola temporalesca aumenta della stessa quantità e loro, allontanandosi l'uno dall'altro, si rizzano (Fig. 3).

Fulgurite - traccia di fulmine sul terreno

Durante la scarica di un fulmine, l'energia viene rilasciata nell'ordine di 10 9 –10 10 J. La maggior parte di questa energia viene spesa per i tuoni, il riscaldamento dell'aria, i lampi di luce e l'emissione di altre onde elettromagnetiche, e solo una piccola parte viene rilasciata nel luogo dove il fulmine entra nel terreno. Ma anche questa “piccola” parte è sufficiente per provocare un incendio, uccidere una persona o distruggere un edificio. I fulmini possono riscaldare il canale attraverso il quale si muovono fino a 30.000°C, che è molto più alto del punto di fusione della sabbia (1600–2000°C). Pertanto, il fulmine, colpendo la sabbia, la scioglie e l'aria calda e il vapore acqueo, espandendosi, formano un tubo dalla sabbia fusa, che dopo un po 'si indurisce. È così che nascono le fulguriti (frecce del tuono, dita del diavolo): cilindri cavi fatti di sabbia fusa (Fig. 4). Le fulguriti più lunghe scavate sono andate sottoterra fino a una profondità di oltre cinque metri.

Come l'elettrostatica protegge dai fulmini

Fortunatamente la maggior parte dei fulmini avviene tra le nuvole e quindi non rappresenta un pericolo per la salute umana. Tuttavia, si ritiene che ogni anno i fulmini uccidano più di mille persone in tutto il mondo. Almeno negli Stati Uniti, dove vengono stilate tali statistiche, ogni anno circa un migliaio di persone vengono colpite da fulmini e più di un centinaio muoiono. Gli scienziati hanno cercato a lungo di proteggere le persone da questa “punizione di Dio”. Ad esempio, l'inventore del primo condensatore elettrico (la bottiglia di Leida), Pieter van Muschenbrouck, in un articolo sull'elettricità scritto per la famosa Enciclopedia francese, difese i metodi tradizionali per prevenire i fulmini: suonare le campane e sparare con i cannoni, che riteneva abbastanza efficaci .

Nel 1750 Franklin inventò il parafulmine. Nel tentativo di proteggere l'edificio del Campidoglio del Maryland da un fulmine, attaccò all'edificio una spessa barra di ferro, che si estendeva diversi metri sopra la cupola e era collegata al suolo. Lo scienziato ha rifiutato di brevettare la sua invenzione, desiderando che iniziasse a servire le persone il prima possibile. Il meccanismo d'azione di un parafulmine è facile da spiegare se ricordiamo che l'intensità del campo elettrico vicino alla superficie di un conduttore carico aumenta con l'aumentare della curvatura di questa superficie. Pertanto, sotto una nube temporalesca vicino alla punta del parafulmine, l'intensità del campo sarà così elevata da provocare la ionizzazione dell'aria circostante e una scarica corona al suo interno. Di conseguenza, la probabilità che un fulmine colpisca il parafulmine aumenterà in modo significativo. Pertanto, la conoscenza dell'elettrostatica ha permesso non solo di spiegare l'origine dei fulmini, ma anche di trovare un modo per proteggersi da essi.

La notizia del parafulmine di Franklin si diffuse rapidamente in tutta Europa e fu eletto in tutte le accademie, compresa quella russa. Tuttavia, in alcuni paesi la popolazione devota ha accolto questa invenzione con indignazione. L’idea stessa che una persona potesse domare così facilmente e semplicemente l’arma principale dell’ira di Dio sembrava blasfema. Pertanto, in luoghi diversi le persone, per pii motivi, hanno rotto i parafulmini.

Un curioso incidente accadde nel 1780 in una piccola città nel nord della Francia, dove i cittadini chiesero che il parafulmine di ferro fosse demolito e la questione venne processata. Il giovane avvocato, che difendeva il parafulmine dagli attacchi degli oscurantisti, basava la sua difesa sul fatto che sia la mente umana che la sua capacità di vincere le forze della natura sono di origine divina. Tutto ciò che aiuta a salvare una vita è per il bene, sosteneva il giovane avvocato. Vinse la causa e ottenne una grande fama. Il nome dell'avvocato era... Maximilian Robespierre.

Ebbene, ora il ritratto dell'inventore del parafulmine è la riproduzione più ambita al mondo, perché adorna la famosa banconota da cento dollari.

Elettrostatica che riporta la vita

L'energia derivante dalla scarica del condensatore non solo ha portato alla nascita della vita sulla Terra, ma può anche ridare la vita a persone le cui cellule cardiache hanno smesso di battere in modo sincrono. La contrazione asincrona (caotica) delle cellule cardiache è chiamata fibrillazione. La fibrillazione del cuore può essere fermata facendo passare un breve impulso di corrente attraverso tutte le sue cellule. Per fare ciò, vengono applicati due elettrodi al torace del paziente, attraverso i quali viene fatto passare un impulso con una durata di circa dieci millisecondi e un'ampiezza fino a diverse decine di ampere. In questo caso, l'energia di scarico attraverso il torace può raggiungere i 400 J (che equivale all'energia potenziale di un peso di una libbra sollevato ad un'altezza di 2,5 m). Un dispositivo che fornisce una scarica elettrica in grado di arrestare la fibrillazione cardiaca è chiamato defibrillatore. Il defibrillatore più semplice è un circuito oscillante costituito da un condensatore con una capacità di 20 μF e una bobina con un'induttanza di 0,4 H. Caricando il condensatore ad una tensione di 1–6 kV e scaricandolo attraverso la bobina e il paziente, la cui resistenza è di circa 50 ohm, è possibile ottenere l'impulso di corrente necessario per riportare in vita il paziente.

Elettrostatica che dà luce

Una lampada fluorescente può fungere da utile indicatore dell’intensità del campo elettrico. Per verificarlo, mentre sei in una stanza buia, strofina la lampada con un asciugamano o una sciarpa: di conseguenza, la superficie esterna del vetro della lampada si caricherà positivamente e il tessuto - negativamente. Non appena ciò accadrà, vedremo apparire lampi di luce in quei punti della lampada che tocchiamo con un panno carico. Le misurazioni hanno dimostrato che l'intensità del campo elettrico all'interno di una lampada fluorescente funzionante è di circa 10 V/m. A questa intensità, gli elettroni liberi hanno l'energia necessaria per ionizzare gli atomi di mercurio all'interno di una lampada fluorescente.

Il campo elettrico sotto le linee elettriche ad alta tensione - linee elettriche - può raggiungere valori molto elevati. Pertanto, se di notte una lampada fluorescente viene conficcata nel terreno sotto una linea elettrica, si accenderà e in modo abbastanza luminoso (Fig. 5). Quindi, utilizzando l'energia di un campo elettrostatico, puoi illuminare lo spazio sotto le linee elettriche.

Come l'elettrostatica avverte del fuoco e rende il fumo più pulito

Nella maggior parte dei casi, quando si sceglie il tipo di rilevatore di allarme antincendio, si preferisce un rilevatore di fumo, poiché un incendio è solitamente accompagnato dal rilascio di una grande quantità di fumo ed è questo tipo di rilevatore che è in grado di avvisare le persone in l'edificio riguardo al pericolo. I rilevatori di fumo utilizzano la ionizzazione o il principio fotoelettrico per rilevare il fumo nell'aria.

I rilevatori di fumo a ionizzazione contengono una sorgente di radiazioni α (solitamente americio-241) che ionizza l'aria tra le piastre degli elettrodi metallici, la resistenza elettrica tra le quali viene costantemente misurata utilizzando un circuito speciale. Gli ioni formatisi a seguito della radiazione α forniscono conduttività tra gli elettrodi e le microparticelle di fumo che compaiono si legano agli ioni, neutralizzano la loro carica e quindi aumentano la resistenza tra gli elettrodi, alla quale il circuito elettrico reagisce emettendo un allarme . I sensori basati su questo principio dimostrano una sensibilità davvero impressionante, reagendo anche prima che il primo segno di fumo venga rilevato da una creatura vivente. Va notato che la sorgente di radiazioni utilizzata nel sensore non rappresenta alcun pericolo per l'uomo, poiché i raggi alfa non possono passare nemmeno attraverso un foglio di carta e vengono completamente assorbiti da uno strato d'aria spesso diversi centimetri.

La capacità delle particelle di polvere di elettrificare è ampiamente utilizzata nei collettori di polveri elettrostatici industriali. Un gas contenente, ad esempio, particelle di fuliggine, salendo verso l'alto, passa attraverso una rete metallica caricata negativamente, a seguito della quale queste particelle acquisiscono una carica negativa. Continuando a salire verso l'alto, le particelle si trovano nel campo elettrico di piastre caricate positivamente, da cui vengono attratte, dopodiché le particelle cadono in appositi contenitori, da dove vengono periodicamente rimosse.

Bioelettrostatica

Una delle cause dell'asma sono i prodotti di scarto degli acari della polvere (Fig. 6) - insetti di circa 0,5 mm che vivono nella nostra casa. La ricerca ha dimostrato che gli attacchi d'asma sono causati da una delle proteine secernenti questi insetti. La struttura di questa proteina ricorda un ferro di cavallo, entrambe le estremità sono caricate positivamente. Le forze repulsive elettrostatiche tra le estremità di una proteina a forma di ferro di cavallo rendono stabile la sua struttura. Tuttavia, le proprietà di una proteina possono essere modificate neutralizzando le sue cariche positive. Questo può essere fatto aumentando la concentrazione di ioni negativi nell'aria utilizzando qualsiasi ionizzatore, ad esempio un lampadario Chizhevskij (Fig. 7). Allo stesso tempo, la frequenza degli attacchi d’asma diminuisce.

L'elettrostatica aiuta non solo a neutralizzare le proteine secrete dagli insetti, ma anche a catturarle da sole. È già stato detto che i capelli “si rizzano” se vengono caricati. Potete immaginare cosa sperimentano gli insetti quando si ritrovano elettricamente carichi. I peli più sottili sulle gambe divergono in direzioni diverse e gli insetti perdono la capacità di muoversi. La trappola per scarafaggi mostrata nella Figura 8 si basa su questo principio. Gli scarafaggi sono attratti dalla polvere dolce precedentemente caricata elettrostaticamente. La polvere (è bianca nella foto) viene utilizzata per coprire la superficie inclinata attorno alla trappola. Una volta sulla polvere, gli insetti si caricano e rotolano nella trappola.

Cosa sono gli agenti antistatici?

Indumenti, tappeti, copriletti, ecc. gli oggetti si caricano dopo il contatto con altri oggetti, e talvolta semplicemente con getti d'aria. Nella vita di tutti i giorni e sul lavoro, le cariche generate in questo modo vengono spesso chiamate elettricità statica.

In condizioni atmosferiche normali, le fibre naturali (cotone, lana, seta e viscosa) assorbono bene l'umidità (idrofile) e quindi conducono leggermente l'elettricità. Quando tali fibre toccano o sfregano contro altri materiali, sulla loro superficie compaiono cariche elettriche in eccesso, ma per un tempo molto breve, poiché le cariche rifluiscono immediatamente attraverso le fibre bagnate del tessuto contenenti vari ioni.

A differenza delle fibre naturali, le fibre sintetiche (poliestere, acrilico, polipropilene) non assorbono bene l'umidità (idrofobiche) e sulla loro superficie sono presenti meno ioni mobili. Quando i materiali sintetici entrano in contatto tra loro, si caricano di cariche opposte, ma poiché queste cariche si scaricano molto lentamente, i materiali si attaccano tra loro creando disagi e disagi. A proposito, i capelli hanno una struttura molto simile alle fibre sintetiche e sono anche idrofobi, quindi quando entrano in contatto, ad esempio, con un pettine, si caricano di elettricità e iniziano a respingersi a vicenda.

Per eliminare l'elettricità statica, la superficie degli indumenti o di altri oggetti può essere lubrificata con una sostanza che trattiene l'umidità e quindi aumenta la concentrazione di ioni mobili sulla superficie. Dopo tale trattamento, la carica elettrica risultante scomparirà rapidamente dalla superficie dell'oggetto o si distribuirà su di esso. L'idrofilia di una superficie può essere aumentata lubrificandola con tensioattivi, le cui molecole sono simili alle molecole di sapone: una parte di una molecola molto lunga è carica e l'altra no. Le sostanze che prevengono la comparsa dell'elettricità statica sono chiamate agenti antistatici. Ad esempio, la normale polvere di carbone o fuliggine è un agente antistatico, quindi, per eliminare l'elettricità statica, nell'impregnazione di moquette e materiali da tappezzeria viene incluso il cosiddetto nero lampada. Per gli stessi scopi, a tali materiali vengono aggiunti fino al 3% di fibre naturali e talvolta sottili fili metallici.

L'elettrodinamica, in quanto branca seria e diversificata della fisica moderna, è divisa in diverse aree principali. L'elettrodinamica è progettata per studiare il concetto di carica elettrica. La carica elettrica è strettamente accoppiata al campo elettromagnetico. È la sua fonte materiale di origine. Il campo elettromagnetico stesso è una caratteristica interna delle particelle elementari che sono in costante interazione tra loro, che dà origine a vari fenomeni fisici e proprietà dei corpi. La carica elettrica è una grandezza fisica scalare e determina l’interazione elettromagnetica.

Figura 1. Concetto di elettrostatica. Author24 - scambio online di lavori degli studenti

Secondo il primo modello di interazione tra le particelle, qualsiasi particella carica è in grado di eccitare lo spazio circostante. In questo caso, qualsiasi altra particella che si trova in uno spazio così disturbato sperimenterà una certa forza. In questo caso è consuetudine considerare una particella catturata in un campo elettromagnetico. Il fatto della presenza di una particella carica deve necessariamente essere associato alla fonte di questa forza. Questa è la componente elettrica del processo. La base magnetica sarà associata al suo movimento. Ogni corpo carico può essere considerato come un insieme di particelle cariche in grado di creare un campo elettromagnetico.

Elettrostatica – sezione di elettrodinamica

L'elettrostatica, come branca dell'elettrodinamica, considera l'interazione delle cariche elettriche stazionarie passate attraverso un campo elettrostatico. Le tariffe sono stazionarie rispetto a un altro sistema di riferimento, quindi tutte le conclusioni possono essere tratte a un livello approssimativo, ma si muovono sempre con una certa velocità rispetto a un altro sistema di riferimento.

In totale, è consuetudine distinguere tra due tipi di cariche elettriche:

positivo;
negativo.

Le particelle elementari possono fungere da trasportatori di tali cariche elettriche. La loro composizione deve certamente includere atomi. Tutti gli atomi sono costituiti da:

carica negativa (elettrone);
carica positiva (protone).

Hanno alcuni tratti caratteristici. L'unità di misura della carica è il coulomb. Un corpo è carico se contiene un numero diverso di particelle elementari positive e negative.

Per la manifestazione di un campo elettromagnetico è necessaria l'azione delle forze elettromagnetiche. Consiste nella formazione:

forze di attrito;
forze elastiche;
azione delle forze elettromagnetiche a livello delle particelle elementari.

Quando si studiano le basi dell'elettrostatica è impossibile non soffermarsi sul concetto di elettrificazione dei corpi. Questo è un metodo per produrre particelle cariche per contatto. In questo caso i corpi si caricheranno reciprocamente, ma diventeranno uguali in grandezza e opposti nel segno di carica.

Concetti base di elettrostatica

La legge fondamentale dell'elettrostatica è la legge di Coulomb. È definita come la forza di interazione tra due corpi con carica puntiforme stazionaria. Avviene in condizioni di vuoto ed è direttamente proporzionale al prodotto dei moduli di carica, ed anche inversamente proporzionale al quadrato della distanza tra loro.

I corpi sono considerati corpi puntuali nel momento in cui la distanza tra loro è molto maggiore della dimensione dei corpi stessi. I corpi interagiscono secondo la legge di Coulomb se hanno cariche elettriche.

L'intensità del campo elettrico è una certa caratteristica quantitativa del campo elettrico. Unisce le caratteristiche di un rapporto di potere. Con questo parametro il campo agisce su una carica puntiforme. È correlato all'entità di una determinata carica. Inoltre, l’intensità del campo non può dipendere dalla quantità di carica introdotta. Caratterizza solo l'intero campo elettrico in generale. La direzione del vettore tensione deve coincidere completamente con la direzione del vettore forza che agisce sulla carica positiva, ed è anche opposta alla direzione della forza che agisce sulla carica negativa.

Linee elettriche

Per formulare il concetto di campo elettrico a livello teorico si utilizzano le linee di forza. Linee simili vengono tracciate in modo tale che la direzione del vettore tensione in ciascun punto coincida con la direzione della tangente alla linea di forza. Le linee di forza possono avere una serie di caratteristiche e proprietà.

Non possono intersecarsi in un campo elettrostatico. Queste linee risultano essere dirette verso cariche negative da cariche positive. Quando si raffigurano le linee del campo elettrico, si ricorre a diversi spessori di applicazione. Devono essere proporzionali all'entità del vettore dell'intensità del campo. La loro densità aumenta con la tensione ed è sempre proporzionale ad essa.

Ad un certo punto dello spazio è consuetudine tracciare una sola linea di forza. Ciò è dovuto al fatto che l'intensità del campo elettrico in questo punto può essere indicata solo in modo univoco.

Figura 2. Concetto di elettrodinamica. Author24 - scambio online di lavori degli studenti

Se il campo elettrico è uniforme, anche il vettore intensità è al suo stesso livello. Ciò si manifesta in tutti i punti del campo nello spazio. Tale campo è creato da un condensatore a piastra piatta. Devono essere caricate con la stessa quantità di carica, separate da uno strato di dielettrico, ma questa distanza deve essere creata inferiore alla dimensione delle piastre stesse.

La capacità elettrica caratterizza la capacità dei conduttori di accumulare carica elettrica ad un certo punto. Dipende dalla forma, dalla disposizione relativa delle cariche, dalla dimensione dei conduttori, nonché dalle proprietà caratteristiche del mezzo tra i conduttori.

Le formule di base dell'elettrostatica sono le seguenti. Qui vengono presentate le equazioni per l'interazione delle cariche, il potenziale elettrico, il lavoro del campo elettrostatico, la capacità elettrica e l'intensità del campo elettrico.

Figura 3. Formule di base in elettrostatica. Author24 - scambio online di lavori degli studenti

L'elettrodinamica studia anche le linee di forza del campo elettrostatico, il funzionamento del campo elettrostatico e le superfici equipotenziali. Vengono inoltre introdotte le basi di un circuito elettrico, le leggi della corrente continua, la resistenza e altre definizioni caratteristiche di questo ramo della fisica.

Agenzia federale per l'istruzione Istituto educativo statale di istruzione professionale superiore Università pedagogica statale di Tula

dal nome di L. N. Tolstoj

Yu. V. Bobylev V. A. Panin R. V. Romanov

CORSO DI FISICA GENERALE

elettrodinamica

Breve ciclo di lezioni

Approvato dall'Associazione Educativa e Metodologica

nelle aree della formazione degli insegnanti del Ministero dell'Istruzione e della Scienza della Federazione Russa come supporto didattico

per gli studenti degli istituti di istruzione superiore che studiano nella direzione 540200 (050200)

"Educazione fisica e matematica"

Casa editrice Tula TSPU im. L. N. Tolstoj

BBK22.3ya73 B72

Revisore –

Professor Yu. F. Golovnev (Università pedagogica statale di Tashkent intitolata a L. N. Tolstoj)

Bobylev, Yu.

B72 Corso di fisica generale. Elettrodinamica: un breve corso di lezioni / Yu. V. Bobylev, V. A. Panin, R. V. Romanov – Tula: Casa editrice Tula. stato ped. unta im. L. N. Tolstoj, 2007.– 107 p.

Questo libro di testo è un breve corso di lezioni sull'elettromagnetismo e contiene il materiale necessario che è pienamente conforme allo standard educativo statale.

Il manuale è destinato principalmente agli studenti che, per un motivo o per l'altro, non possono frequentare o frequentano irregolarmente le lezioni in aula e sono impegnati nell'autodidattica, anche a distanza.

Riducendo la parte matematica, il manuale può essere posizionato per studenti di specialità non fisiche.


Prefazione................................................. ......................................................
Introduzione................................................. ...................................................... ........
Lezione 1. Carica elettrica............................................ ....... ..............
Lezione 2. La legge di Coulomb............................................ ......................................

Lezione 4. Il teorema di Gauss............................................ ......................................
Lezione 5. Potenziale del campo elettrico............................................ ......
Lezione 6. Potenziale del campo elettrico (continua)...................
Lezione 7. Conduttori in un campo elettrico............................................ .......
Lezione 8. Dielettrici in un campo elettrico................................................ .......
Lezione 9. Capacità elettrica. Condensatori............................
Lezione 10. Energia elettrostatica............................................ .......
Lezione 11. Corrente continua. Concetti e leggi fondamentali.. ............
Lezione 12. Circuiti elettrici............................................ ......................................
Lezione 13 Corrente nei metalli............................................ ......................................
Lezione 14. Corrente nel vuoto................................................ ....................................
Lezione 15. Corrente nei gas. .................................................... ......................................
Lezione 16. Corrente negli elettroliti. .................................................... ...... .........
Lezione 17. Leggi fondamentali del magnetismo. ....................................
Lezione 18. Leggi fondamentali del magnetismo (continua)................
Lezione 19. Movimento di particelle cariche in un campo magnetico................
Lezione 20 Induzione elettromagnetica. ............................................
Lezione 21. Circuito oscillatorio elettrico.................................
Lezione 22. Corrente alternata............................................ ....... ....................
Lezione 23. Campo elettrico............................................ ......................................
Lezione 24. Le equazioni di Maxwell................................................ ....... ..........
Lezione 25. Onde elettromagnetiche............................................ ....... ....
Conclusione................................................. ............................................
Letteratura................................................. ....................................

Prefazione

Gli autori di questo manuale lavorano presso la Facoltà di Matematica, Fisica e Informatica dell'Università Pedagogica Statale di Tula. L.N. Tolstoj e hanno già insegnato ripetutamente varie discipline e corsi speciali relativi ai processi elettromagnetici, compresi i fenomeni nei mezzi materiali non in equilibrio, come parte di corsi di fisica generale e teorica.

L'esperienza didattica, formata da significative esperienze lavorative (dai 20 ai 25 anni), ha suggerito l'idea di creare un unico corso end-to-end di elettrodinamica. Dovrebbe includere, senza duplicazioni o ripetizioni, cosa molto importante, tutti gli argomenti studiati nei corsi di fisica generale e teorica, come “Elettricità e magnetismo”, “Elettrodinamica e fondamenti della SRT”, “Elettrodinamica dei mezzi continui”. e così via.

Un corso di questo tipo ti consentirà di mantenere uno stile unificato di presentazione e progettazione, la stessa notazione, un sistema unificato di unità e un uso simile dell'apparato matematico, che semplificherà sicuramente la percezione di questo difficile materiale da parte degli studenti.

Va notato che gli interessi scientifici degli autori risiedono nei settori dell'elettrodinamica dei plasmi altamente non in equilibrio, dei fenomeni non lineari nei sistemi e nelle strutture elettrodinamiche di varia natura, in alcune questioni dell'elettronica del plasma e della radiofisica, il che, ovviamente, rende questo manuale un avvicinarsi il più possibile alle moderne conquiste scientifiche.

L'implementazione di questo concetto è iniziata nel 2002 con la pubblicazione di un libro di testo per il corso “Elettricità e magnetismo: un corso di lezioni frontali. Parte 1. Elettrostatica", approvato dal Ministero dell'Istruzione come sussidio didattico per gli studenti di fisica e matematica.

Insegnare utilizzando questo manuale ha dimostrato la sua indubbia efficacia e richiesta tra gli studenti. Nel 2004 è stata pubblicata una raccolta di problemi per il corso “Elettricità e Magnetismo”. La preparazione di questi materiali in formato documento WEB ha permesso di utilizzarli non solo per gli studenti a tempo pieno, ma anche per l'apprendimento a distanza.

In questo manuale viene utilizzato uno stile di presentazione “telegrafico” più conciso e il linguaggio, in generale, è tutt’altro che accademico e si avvicina il più possibile a quello colloquiale, come, in effetti, dovrebbe essere, poiché il materiale è un registrazione di ciò che lo studente ha sentito e visto durante la lezione.

Vengono utilizzati numerosi disegni, che tuttavia sono schematici e semplificati. Vengono fornite alcune formule complesse con conclusioni dettagliate, che saranno particolarmente utili per gli studenti che si diplomano nelle scuole rurali. Inoltre, secondo gli autori, il manuale contiene un numero significativo di esempi di soluzioni di problemi che ne facilitano la comprensione

materiale teorico e contribuire allo sviluppo delle abilità pratiche del futuro insegnante.

IN Il Sistema Internazionale di Unità (SI) viene utilizzato come quello principale.

IN In generale, il materiale corrisponde al minimo specificato nello standard educativo statale per l'istruzione professionale superiore e nel curriculum.

Gli autori ritengono che questo libro di testo sull'elettromagnetismo aiuterà gli studenti che, per un motivo o per l'altro (lo considereremo valido) non possono frequentare o frequentano le lezioni in classe in modo irregolare e sono impegnati nell'autoeducazione. Ci sono sempre più studenti di questo tipo, ma convincerli a leggere i libri di testo tradizionali e selezionare scrupolosamente da essi le informazioni necessarie, tenendo conto delle realtà del tempo presente, è molto problematico. Questo manuale contiene il materiale necessario già selezionato, che è pienamente conforme allo standard educativo statale, in modo che lo studente medio riceva un voto positivo all'esame senza l'uso di letteratura aggiuntiva.

Per gli studenti che desiderano acquisire una conoscenza più approfondita e intendono proseguire gli studi in un programma di master, alla fine di questo manuale c'è un elenco abbastanza completo di letteratura utile.

Non dovresti pensare che questo manuale sia adatto solo agli studenti in ritardo. È destinato a tutti gli studenti, con l'unica differenza che uno studente che ha frequentato la lezione e uno studente che l'ha persa dovranno lavorare con questo manuale in modi diversi.

Inoltre, nel contesto della transizione verso l’istruzione a due livelli e nelle condizioni di crescente penetrazione e attuazione delle idee di base del processo di Bologna, tali manuali, che da un lato sono sufficientemente unificati per soddisfare i severi requisiti dello Stato standard, e d'altra parte, hanno un indubbio "marchio" di individualità e visioni creative che gli autori saranno sempre più richiesti sul "mercato studentesco".

Va inoltre notato che questo manuale, pur abbreviando la parte matematica, può essere posizionato per studenti di specialità non fisiche.

Tula, aprile 2007

introduzione

1. L'elettrodinamica come scienza

Definizione: Elettrodinamica– una scienza che studia il comportamento del campo elettromagnetico che interagisce tra le cariche elettriche.

2. Contesto storico

Qui potete citare quasi tutto il corso di storia della fisica, al quale vi rimandiamo.

3. Teoria dell'azione a lungo e corto raggio

Per molto tempo la fisica è stata dominata dalla teoria dell'azione a lungo raggio, che, sulla base di leggi matematiche, descriveva l'interazione dei corpi senza indicare il meccanismo di questa interazione. Ciò è dovuto al fatto che le leggi ben formulate di Newton descrivevano perfettamente tutti i fenomeni meccanici, senza essere soggette ad alcuna spiegazione. L'approccio meccanico si estende ad altri rami della fisica (legge di Coulomb). Le opere di Ostrogradsky, Gauss, Laplace, ecc. questa teoria ha acquisito una forma matematica completa. Allo stesso tempo, gli scienziati erano preoccupati per la questione di come e con quale aiuto viene trasmessa l'interazione. Faraday ha introdotto il concetto di campo, che è portatore di interazione. Per molto tempo le teorie esistevano allo stesso modo.

Nei campi quasi statici portano agli stessi risultati. E solo dopo gli esperimenti di Hertz e Popov con campi rapidamente variabili la questione fu chiaramente risolta a favore della teoria dell'azione a corto raggio. Si ritiene che le interazioni tra le cariche vengano effettuate utilizzando un campo elettromagnetico che si propaga nello spazio. Nel vuoto il campo si propaga con velocità

c=299792458 m/s≈3,00·108 m/s.

Carica elettrica

1. Concetti generali

Definizione: Carica elettricaè una grandezza fisica che determina il campo elettromagnetico attraverso il quale avviene l'interazione tra le cariche.

Nonostante le varie modalità per ottenere la carica, esistono solo due tipi di elettricità: “vetro” e “resina” (“+” e “–”). Sebbene si creda che in realtà si tratti di un eccesso o di una mancanza di elettricità di un tipo, vale a dire negativo. In natura, la quantità di elettricità positiva è approssimativamente uguale alla quantità di elettricità negativa.

2. Metodi per ottenere corpi elettrificati

3. Misurazione della carica

Definizione: una carica di prova è una carica che non introduce distorsioni nel campo esistente.

Supponiamo che ci sia un campo elettrico. Ad un certo punto posizioniamo una carica di prova sul campo. Il campo agirà su di esso con una certa forza.

Introduciamo un'altra carica di prova in questo campo. Se le forze sono dirette in una direzione, le cariche hanno lo stesso nome, altrimenti sono opposte.

Fa1 = Fa2q1q2

F 1 = cost = q 1 F 2 q 2

Conoscendo il rapporto delle forze, conosciamo anche il rapporto delle cariche e, prendendo come standard una delle cariche, indichiamo il metodo fondamentale per misurare le cariche.

4. Unità di addebito

Definizione: 1 Coulomb è un'unità SI di carica elettrica pari alla carica che scorre attraverso la sezione trasversale di un conduttore in 1 s con una corrente costante di 1 A.

5. Legge di conservazione della carica

Se un fotone energetico cade su un sistema chiuso si può creare una carica elettrica accoppiata. In totale, la tariffa del sistema non cambierà. Tutti gli esperimenti mostrano che la carica ha la proprietà intrinseca di conservarsi, quindi questa posizione è elevata al rango di postulato.

Legge: In un sistema chiuso la carica elettrica è una quantità costante.

∑qi = cost.

io= 1

6. Carica la Terra

La carica della Terra è negativa.

q = − 6 105 C .

7. Invarianza di tariffa

Fondamentalmente, le cariche vengono misurate confrontando le forze. La forza è un invariante, cioè è lo stesso in diversi sistemi di riferimento. Pertanto anche il rapporto di addebito è invariante. E se lo standard tariffario è lo stesso, allora possiamo dire che la tariffa ha lo stesso valore quantitativo nei diversi sistemi di riferimento.

8. Discretezza di carica

Qualsiasi addebito può essere rappresentato nel modulo

q = N e , N = 0, ± 1, ± 2, ...

|e| = 1,6021892(46)·10-19 C - carica elementare

Si dice che la carica elettrica sia discreta o quantizzata, cioè Esiste una certa quota minima di addebito che non può essere ulteriormente suddivisa.

9. Modelli di corpi carichi

Di norma, si ritiene che la carica venga continuamente “spalmata” sul corpo e vengono introdotti i concetti di carica e volume fisicamente infinitesimali.

<< dV <

10− 27

÷ 10

− 30 m3;

<< dq << Q ;

Densità apparente

Superficiale

Densità lineare

densità

ρ =

= ρ(x, y, z)

σ = dq

τ = dq

Q = ∫ ρ (x, y, z) dV

Q = ∫σdS

Q = ∫τdl

Corpo a V

Corpo S

Corpo L

10. Carica puntuale

Definizione: Carica puntiforme si chiama punto materiale dotato di carica.

La densità di carica puntiforme può essere scritta come una formula;

ρ (r) = qδ (r − r 0 ).

Qui r 0 è il raggio vettore che determina la posizione della carica puntiforme; δ (r − r 0 )

– Funzione delta di Dirac.

11. Funzione Delta o funzione di Dirac.

Nel caso unidimensionale, questa funzione è definita come segue:

0, x ≠ 0
0, x ≠ 0		∫ δ (x) dx = 1
δ(x) = ∞, x = 0		∫ δ (x) dx = 1

Ne consegue anche questo

L'elettrostatica è una branca della scienza dell'elettricità che studia le cariche elettriche stazionarie. Si basa su 3 fatti principali: l'esistenza di due tipi di oneri, la presenza di interazione tra loro e il principio di sovrapposizione (l'interazione di due oneri non è influenzata dalla terza).

Quindi in natura esistono due tipi di cariche elettriche. Convenzionalmente, a uno di essi viene assegnato rispettivamente il segno più “+” e all'altro il segno meno “-”. C'è un campo elettrico attorno a queste cariche e, se queste cariche sono stazionarie, il campo è chiamato elettrostatico.

Figura 1 Cariche negative e positive.

La carica elettrica è una quantità discreta. Cioè è costituito da cariche elementari di una certa dimensione. E la carica totale di qualsiasi corpo è un multiplo di questa carica elementare.

Quando si studiano le cariche in elettrostatica, vengono utilizzati metodi di media, sia nel tempo che nello spazio. Ciò ci consente di considerare stazionarie le cariche in movimento termico caotico.

Tutte le cariche, sia positive che negative, fanno parte delle molecole di una sostanza. Pertanto, qualsiasi organismo ha un gran numero di accuse. Ma i fenomeni di interazione delle cariche elettrostatiche possono essere osservati solo se il corpo ha un eccesso (carenza) di cariche dello stesso segno.

La legge di conservazione della carica afferma che se un sistema è chiuso, la carica totale al suo interno rimane invariata. Tali oneri possono essere distribuiti in qualsiasi modo all'interno del sistema, il che non influirà sull'onere del sistema nel suo complesso.

L'unità di misura del campo creato dalle cariche elettriche è l'intensità. È rappresentato graficamente sotto forma di linee di forza. La densità delle linee di campo indica l'entità dell'intensità del campo.

Figura 2 campo tra cariche diverse.

Le cariche simili si respingono sempre, mentre le cariche diverse si attraggono. Tra cariche di dimensioni trascurabili (cariche puntiformi) agisce la cosiddetta forza di Coulomb. La legge di Coulomb determina la forza di interazione tra due cariche elettriche a seconda della loro grandezza e della distanza tra loro.

Formula 1 Legge di Coulomb

Il campo elettrostatico è potenziale. Ciò significa che il lavoro compiuto per spostare una carica da un punto a un altro non dipende dalla forma del percorso della carica. Se uno dei punti è all'infinito si può introdurre il concetto di potenziale elettrico. Determina il lavoro impiegato per spostare una carica dall'infinito a un dato punto nello spazio.

E infine parliamo del principio di sovrapposizione dei campi. L'essenza del principio è che il campo risultante di più cariche puntiformi sarà la somma vettoriale dei campi di ciascuna carica separatamente. Cioè, il campo della terza carica non influenza i campi delle altre due cariche.

Figura 3 principio di sovrapposizione dei campi

I principali problemi risolti dall'elettrostatica sono la determinazione della distribuzione della carica su una superficie, la conoscenza del potenziale della superficie o della sua carica totale. Trovare l'energia di un sistema di conduttori, conoscendone le cariche e i potenziali. Oltre a studiare il comportamento di varie sostanze in un campo elettrico.

YouTube enciclopedico

1 / 5
Le basi dell'elettrostatica furono gettate dal lavoro di Coulomb (anche se dieci anni prima di lui, gli stessi risultati, anche con una precisione ancora maggiore, furono ottenuti da Cavendish. I risultati del lavoro di Cavendish furono conservati nell'archivio di famiglia e furono pubblicati solo un centinaio anni dopo); la legge delle interazioni elettriche scoperta da quest'ultimo permise a Green, Gauss e Poisson di creare una teoria matematicamente elegante. La parte più essenziale dell'elettrostatica è la teoria del potenziale, creata da Green e Gauss. Molte ricerche sperimentali sull'elettrostatica furono svolte da Rees, i cui libri costituirono in passato la guida principale per lo studio di questi fenomeni.

La costante dielettrica

Trovare il valore del coefficiente dielettrico K di qualsiasi sostanza, coefficiente compreso in quasi tutte le formule con cui si ha a che fare in elettrostatica, può essere fatto in modi molto diversi. I metodi più comunemente utilizzati sono i seguenti.
1) Confronto delle capacità elettriche di due condensatori aventi la stessa dimensione e forma, ma in uno dei quali lo strato isolante è uno strato d'aria, nell'altro uno strato del dielettrico da testare.
2) Confronto delle attrazioni tra le superfici di un condensatore, quando a queste superfici viene impartita una certa differenza di potenziale, ma in un caso c'è aria tra loro (forza di attrazione = F 0), nell'altro caso, l'isolante liquido di prova ( forza attrattiva = F). Il coefficiente dielettrico si trova dalla formula:
K = F0F. (\displaystyle K=(\frac (F_(0))(F)).)
3) Osservazioni di onde elettriche (vedi Oscillazioni elettriche) che si propagano lungo fili. Secondo la teoria di Maxwell, la velocità di propagazione delle onde elettriche lungo i fili è espressa dalla formula
V = 1 Kμ. (\displaystyle V=(\frac (1)(\sqrt (K\mu ))).)
in cui K indica il coefficiente dielettrico del mezzo che circonda il filo, μ indica la permeabilità magnetica di questo mezzo. Possiamo porre μ = 1 per la stragrande maggioranza dei corpi, e quindi risulta
V = 1 K. (\displaystyle V=(\frac (1)(\sqrt (K))).)
Di solito, vengono confrontate le lunghezze delle onde elettriche stazionarie che si presentano in parti dello stesso filo situate nell'aria e nel dielettrico di prova (liquido). Determinate queste lunghezze λ 0 e λ, otteniamo K = λ 0 2 / λ 2. Secondo la teoria di Maxwell, ne consegue che quando viene eccitato un campo elettrico in una qualsiasi sostanza isolante, all'interno di questa sostanza si verificano deformazioni speciali. Lungo i tubi di induzione il mezzo isolante è polarizzato. In esso si verificano spostamenti elettrici, che possono essere paragonati ai movimenti dell'elettricità positiva nella direzione degli assi di questi tubi, e attraverso ciascuna sezione trasversale del tubo passa una quantità di elettricità pari a
D = 1 4 π K F . (\displaystyle D=(\frac (1)(4\pi ))KF.)
La teoria di Maxwell consente di trovare espressioni per quelle forze interne (forze di tensione e pressione) che compaiono nei dielettrici quando in essi è eccitato un campo elettrico. Questa domanda fu considerata per la prima volta dallo stesso Maxwell e successivamente in modo più dettagliato da Helmholtz. L'ulteriore sviluppo della teoria di questo problema e della teoria strettamente connessa dell'elettrostrizione (cioè la teoria che considera i fenomeni che dipendono dalla presenza di tensioni speciali nei dielettrici quando in essi è eccitato un campo elettrico) appartiene ai lavori di Lorberg, Kirchhoff, P. Duhem, N. N. Schiller e alcuni altri

Condizioni di confine

Completiamo la nostra breve presentazione degli aspetti più significativi dell'elettrostrizione considerando il problema della rifrazione dei tubi a induzione. Immaginiamo due dielettrici in un campo elettrico, separati tra loro da una superficie S, con coefficienti dielettrici K 1 e K 2.
Siano nei punti P 1 e P 2 situati infinitamente vicini alla superficie S su entrambi i lati di essa, le grandezze dei potenziali sono espresse attraverso V 1 e V 2 , e le grandezze delle forze sperimentate da un'unità di elettricità positiva posta a questi punti attraverso F 1 e F 2. Allora per un punto P giacente sulla superficie S stessa, deve esserci V 1 = V 2,
d V 1 d s = d V 2 d s , (30) (\displaystyle (\frac (dV_(1))(ds))=(\frac (dV_(2))(ds)),\qquad (30))
se ds rappresenta uno spostamento infinitesimo lungo la linea di intersezione del piano tangente alla superficie S nel punto P con il piano passante per la normale alla superficie in questo punto e per la direzione della forza elettrica in essa. D'altra parte, dovrebbe essere
K 1 d V 1 d n 1 + K 2 d V 2 d n 2 = 0. (31) (\displaystyle K_(1)(\frac (dV_(1))(dn_(1)))+K_(2)( \frac (dV_(2))(dn_(2)))=0.\qquad (31))
Indichiamo con ε 2 l'angolo formato dalla forza F2 con la normale n2 (interna al secondo dielettrico), e con ε 1 l'angolo formato dalla forza F 1 con la stessa normale n 2 Quindi, utilizzando le formule (31) e (30), troviamo
t g ε 1 t g ε 2 = K 1 K 2 . (\displaystyle (\frac (\mathrm (tg) (\varepsilon _(1)))(\mathrm (tg) (\varepsilon _(2))))=(\frac (K_(1))(K_( 2))).)
Quindi, sulla superficie che separa due dielettrici l'uno dall'altro, la forza elettrica subisce un cambiamento nella sua direzione, come un raggio luminoso che passa da un mezzo all'altro. Questa conseguenza della teoria è giustificata dall’esperienza.
- Totale:0
- In contatto con 0
- Google+ 0
- OK 0
- Facebook 0