Электрический заряд. Электрическое поле

П л а н у р о к а № 1 Дата____________

Электрический заряд. Электрическое поле (2 часа)

Дисциплина: Электротехника и электроника

Преподаватель: А.А.Гурьянов

Учебная цель

Сформировать у учащихся представление:

- об электрическом заряде;

- напряжённости электрического поля

- электрическом напряжении

- силе тока и видам силы тока

Воспитательная цель

Дать представление о новом виде материи.

Развивающая цель

Сформировать у учащихся навыки:

- определения напряжённости электрического поля;

- расчета силы взаимодействия электрических зарядов;

- определение изменения силы взаимодействия электрических зарядов.

Тип учебного

занятия

изучение нового материала.

Вид учебного

занятия

смешанный

Межпредметные связи

математика, физика

Оснащение,

оборудование

Учебник, компьютер, проектор, экран, интерактивная доска

Структура урока.

1. Организационный момент.

2. Актуализация знаний.

3. Формирование новых понятий и способов действий.

4. Формирование умений и навыков.

5. Итог урока.

6. Домашнее задание.

Ход урока.

1. Организационный момент.

Учет отсутствующих, сообщение темы и постановка целей урока.

2. Актуализация знаний.

Что такое электротехника?

Какие возможны способы соединения элементов электрической цепи?

Изобразите смешанное соединение конденсаторов.

Напишите формулы для вычисления общей ёмкости последовательно и параллельно соединённых конденсаторов.

3. Формирование новых понятий и способов действий.

Электрическое поле - одна из составляющих электромагнитного поля, особый вид материи, существующий вокруг тел или частиц, обладающих электрическим зарядом, а также в свободном виде при изменении магнитного поля (например, в электромагнитных волнах). Электрическое поле непосредственно невидимо, но может наблюдаться благодаря его силовому воздействию на заряженные тела. Электрическое поле материально.

Для количественного определения электрического поля вводится силовая характеристика - напряжённость электрического поля.

Напряжённостью электрического поля называют векторную физическую величину, равную отношению силы, с которой поле действует на положительный пробный заряд, помещённый в данную точку пространства, к величине этого заряда.

Направление вектора совпадает в каждой точке пространства с направлением силы, действующей на положительный пробный заряд.

Зако́н Куло́на - это закон о взаимодействии точечных электрических зарядов.

Был открыт Шарлем Кулоном в 1785 г. Проведя большое количество опытов с металлическими шариками, Шарль Кулон дал такую формулировку закона:

Сила взаимодействия двух точечных неподвижных заряженных тел в вакууме направлена вдоль прямой, соединяющей заряды, прямо пропорциональна произведению модулей зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.[1]

Важно отметить, что для того, чтобы закон был верен, необходимы:

• точечность зарядов - то есть расстояние между заряженными телами много больше их размеров - впрочем, можно доказать, что сила взаимодействия двух объёмно распределённых зарядов со сферически симметричными непересекающимися пространственными распределениями равна силе взаимодействия двух эквивалентных точечных зарядов, размещённых в центрах сферической симметрии;

• их неподвижность. Иначе вступают в силу дополнительные эффекты: магнитное поле движущегося заряда и соответствующая ему дополнительная сила Лоренца, действующая на другой движущийся заряд;

• взаимодействие в вакууме.

Однако с некоторыми корректировками закон справедлив также для взаимодействий зарядов в среде и для движущихся зарядов.

В векторном виде в формулировке Ш. Кулона закон записывается следующим образом:

где F- сила, с которой заряд 1 действует на заряд 2;

q₁, q₂ - величина зарядов;

r- радиус-вектор (вектор, направленный от заряда 1 к заряду 2, и равный, по модулю, расстоянию между зарядами - r₁₂);

k - коэффициент пропорциональности.

Таким образом, закон указывает, что одноименные заряды отталкиваются (а разноименные - притягиваются).

Коэффициент = 8,9875517873681764×10⁹ Н·м²/Кл² (или Ф⁻¹·м) и записывается следующим образом:

ε₀ = 8,854187817 · 10⁻¹² Ф/м - диэлектрическая постоянная, физическая константа, скалярная величина, определяющая напряжённость электрического поля в вакууме;

ε - относительная диэлектрическая проницаемость среды,

Относи́тельная диэлектри́ческая проница́емость среды ε - безразмерная физическая величина, характеризующая свойства изолирующей (диэлектрической) среды. Связана с эффектом поляризации диэлектриков под действием электрического поля (и с характеризующей этот эффект величиной диэлектрической восприимчивости среды).

Она показывает, во сколько раз растворимость уменьшает силу электростатического взаимодействия между растворенными частицами по сравнению с их взаимодействием в вакууме. Относительная диэлектрическая проницаемость воздуха и большинства других газов в нормальных условиях близка к единице (в силу их низкой плотности). Для большинства твёрдых или жидких диэлектриков относительная диэлектрическая проницаемость лежит в диапазоне от 2 до 8 (для статического поля). Диэлектрическая постоянная воды в статическом поле достаточно высока - около 80. Велики её значения для веществ с молекулами, обладающими большим электрическим диполем. Относительная диэлектрическая проницаемость сегнетоэлектриков составляет десятки и сотни тысяч.

Напряже́ние (разность потенциалов, падение потенциалов) между точками A и B - отношение работы электрического поля при переносе пробного электрического заряда из точки A в точку B к величине пробного заряда.

Альтернативное определение (для электростатического поля) -

- интеграл от проекции поля (напряжённости поля ) на расстояние между точками A и B вдоль любой траектории, идущей из точки A в точку B.

Единицей измерения напряжения в системе СИ является Вольт.

Напряжение показывает, какую работу совершает электрическое поле при перемещении единичного положительного заряда из одной точки в другую.

В веществе, помещаемом в электрическое поле, под действием сил электрического поля возникает направленное движение носителей зарядов (электронов, ионов) - электрический ток. Это свойство называют электропроводностью вещества. Степень электропроводности вещества оценивают удельной электрической проводимостью материала.

Все вещества подразделяют на проводники, полупроводники и диэлектрики. При внесении диэлектрика в электрическое поле происходит его поляризация, в результате чего ослабляется основное поле.

Диэлектрическая проницаемость ε показывает, во сколько раз ослабляется основное поле вследствие поляризации.

Напряженность поля, при которой происходит пробой диэлектрика, называют электрической прочностью диэлектрика Е_пр, а напряжение при пробое - пробивным напряжением U_пр, причем , где d - толщина пластины.

Сила тока (часто просто «ток») в проводнике - скалярная величина, численно равная заряду, протекающему в единицу времени через сечение проводника. Обозначается буквой I (в некоторых курсах - J. Не следует путать с векторной плотностью тока j):

Единица измерения в системе СИ - 1 Ампер (А) = 1 Кулон / секунду.

Для измерения силы тока используют специальный прибор - амперметр (для приборов, предназначенных для измерения малых токов, также используются названия миллиамперметр, микроамперметр, гальванометр). Его включают в разрыв цепи в том месте, где нужно измерить силу тока. Основные методы измерения силы тока: магнитоэлектрический, электромагнитный и косвенный (путём измерения вольтметром напряжения на известном сопротивлении).

В случае переменного тока различают мгновенную силу тока, амплитудную (пиковую) силу тока и эффективную силу тока (равную силе постоянного тока, который выделяет такую же мощность).

Явление направленного движения носителей заряда, сопровождаемое магнитным полем, называют полным электрическим током.

Полный электрический ток принято разделять на следующие основные виды: ток проводимости, ток переноса и ток смещения.

Электрическим током проводимости называют явление направленного движения свободных носителей электрического заряда в веществе или вакууме.

Электрический ток, обусловленный направленным упорядоченным движением электронов, имеет место в проводниках первого рода (металлах), электронных и полупроводниковых приборах. В проводниках второго рода - электролитах (водные растворы солей, кислот и щелочей) - электрический ток обусловлен движением положительных и отрицательных ионов, упорядоченно перемещающихся под действием приложенного поля.

Электрическим током переноса называют явление переноса электрических зарядов заряженными частицами или телами, движущимися в свободном пространстве. Основным видом электрического тока переноса является движение в пустоте элементарных частиц, обладающих зарядом (движение свободных электронов в электронных лампах), движение свободных ионов в газоразрядных приборах.

Электрическим током смещения (током поляризации) называют упорядоченное движение связанных носителей электрических зарядов. Этот вид тока можно наблюдать в диэлектриках.

4. Формирование умений и навыков.

1. Напишите формулу закона Кулона.

2. Что можно определить с помощью закона Кулона?

3. Каковы формы проявления электромагнитного поля?

4. В каком случае электрическое поле называют электростатическим?

5. Что произойдет с силой взаимодействия между двумя зарядами, если их из воздуха перенести в воду?

6. Что произойдет с силой взаимодействия между двумя зарядами, если расстояние между ними увеличить в пять раз?

7. Величина одного заряда 2⋅10^-5 Кл, другого - 4⋅10^-4 Кл. Определите силу взаимодействия между ними, если они помещены в керосин (ε = 2) и находятся на расстоянии 10 см друг от друга.

8. Электрическое поле каких зарядов изображено на рис.?

9. Определите силу взаимодействия между электрическими зарядами q₁ = 5⋅10^-4 Кл и q₂ = 2⋅10^-5 Кл, находящимися в дистиллированной воде (ε = 81) на расстоянии 5 см друг от друга.

Выберите правильный ответ:

10. Два заряда, находящиеся на расстоянии 10 см друг от друга, помещены в керосин (ε = 2). Как изменится сила взаимодействия этих зарядов в вакууме? Взаимное расположение зарядов сохраняется.

а) увеличится в два раза;

б) не изменится;

г) уменьшится в два раза.

11. Расстояние между электрическими зарядами возросло в три раза. Как должны измениться величины зарядов q₁ и q₂, чтобы сила взаимодействия между ними возросла в девять раз?

а) увеличиться в три раза;

б) уменьшиться в три раза;

в) увеличиться в девять раз.

12. Электрическое поле каких зарядов изображено на рис.?

5. Итог урока.

Проверка выполнения задач, выставление оценок, сообщение домашнего задания.

6. Домашнее задание.

Подготовить доклад к семинару по следующим темам:

• Стационарное электрическое поле в проводнике.

• Электрический ток в проводниках: величина и направление тока проводимости, плотность тока проводимости.

• Электрические проводимость и сопротивление. Удельные электрические проводимость и сопротивление.

• Закон Ома.

• Зависимость сопротивления проводников от температуры.

• Понятие о сверхпроводимости.