Электростатика является разделом электродинамики, направленным на рассмотрение свойств и взаимодействий неподвижных электрически заряженных тел или частиц в инерциальной системе отсчета, которые обладают электрическим зарядом.
Постоянный ток представляет электрический ток, не изменяющийся с течением времени ни по направлению, ни по величине. Постоянный ток представляет разновидность однонаправленного тока.
Электрический заряд и его свойства
Электрический заряд считается в физике неотъемлемым свойством некоторых элементарных частиц (таких, как электроны, протоны и др.), которое определяет их взаимодействие с внешним электромагнитным полем.
Существование электрического заряда наблюдается в двух разновидностях: в качестве отрицательного и положительного. Одноименные заряды склонны к отталкиванию, а разноименные – к притяжению.
Статья: Электростатика и постоянный ток
Рисунок 1. Электрический заряд. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Существует также минимальный электрический заряд, называемый элементарным. В качестве носителя элементарного отрицательного заряда выступает электрон, а положительного – протон. Заряд элементарных частиц по своей величине одинаков.
Электрический заряд обладает свойством дискретности (заряд любого тела формирует совокупность элементарных зарядов). Различают следующие свойства электрического заряда:
- он подчиняется закону сохранения заряда, которое заключается в том, что алгебраическая сумма зарядов электрически изолированной системы заряженных тел сохраняет свою постоянную величину);
- он инвариантен (его величина не зависима от движется заряда или его «бездействия».
Тело можно считать электрически нейтральным в ситуации, когда суммарный заряд входящих в состав тела отрицательно заряженных частиц равнозначен суммарному заряду положительно заряженных частиц.
В качестве стабильных носителей электрических зарядов выступают элементарные частицы и античастицы, положительного - протон и позитрон, в случае с отрицательным зарядом - электрон и антипротон.
Закон сохранения заряда звучит так: в рамках замкнутой (электрически изолированной) системе полный электрический заряд сохраняет свою неизменность, независимо от происходящих внутри системы процессов.
Закон Кулона
Важным законом в электростатике является закон Кулона, позволяющий определять силу, с которой взаимодействую точечные заряды. Экспериментальным способом данный закон установил Ш. Кулон, что произошло в 1785 году.
Согласно данному закону, заряд представляет заряженное тело, чьими размерами можно пренебречь, сравнительно с расстоянием от этого тела до иных заряженных тел.
Сила двух неподвижных точечных зарядов, с которой они взаимодействуют, является обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними и зависимой от среды, в которой отмечено расположение зарядов.
Рисунок 2. Закон Кулона. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Для верности данного закона требуются следующие условия:
- точечность зарядов (расстояние между заряженными телами должно оказаться намного больше их размеров);
- неподвижность зарядов (если это не наблюдается, то в силу вступают дополнительные эффекты, такие, как магнитное поле движущегося заряда и дополнительная сила Лоренца, соответствующая ему, и оказывающая непосредственное воздействие на другой движущийся заряд);
- взаимодействие в условиях вакуума.
Электрическое поле и его характеристики
Электрическое поле представляет материальную среду, чье существование фиксируется вокруг заряженных тел, а проявление наблюдается в виде силового воздействия на заряды. Если в данной системе отсчета электрически заряженные тела или частицы являются неподвижными, их взаимодействие происходит, благодаря электростатическому полю (не измененному во времени (стационарному) электрическому полю).
Для обнаружения и исследования электрического поля, применяется точечный положительный заряд, называемый «пробным». При взятии различных по величине пробных зарядов, можно наблюдать, что воздействующие на эти заряды в данной точке поля силы окажутся разными. При этом отношение силы к величине заряда для этой точки поля будет одинаковым (для всех пробных зарядов).
Рисунок 3. Напряженность электрического поля. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Направление вектора напряженности является совпадающим с направлением силы, воздействующей на положительный заряд. При одинаковости величины и направления вектора напряженности поля в каждой точке, поле называется однородным.
Таким образом, напряженность электрического поля представляет векторную физическую величину, характеризующую в данной точке электрическое поле, и численно равную отношению силы, воздействующей на неподвижный точечный заряд, который помещен в эту точку поля, к величине данного заряда.
Линии напряженности представляют воображаемые линии, необходимость которых обусловлена использованием графического изображения электрического поля. Их проводят таким образом, чтобы фиксировалось совпадение касательных к ним в каждой точке пространства по направлению (с вектором напряженности поля в конкретной точке).
Принцип суперпозиции полей заключается в том, что напряженность поля от нескольких источников равнозначна векторной сумме напряженностей полей каждого из них.
Электростатический потенциал считается скалярной энергетической характеристикой электростатического поля, характеризующей потенциальную энергию, чьим обладателем является единичный положительный пробный заряд, который помещен в данную точку поля.
Виды тока и постоянный электрический ток
Электрический ток представляет упорядоченное движение в проводнике заряженных частиц. Его возникновение требует предварительного создания электрического поля, под воздействием которого вышеупомянутые заряженные частицы будут приведены в движение.
Рисунок 4. Постоянный ток. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Электрический ток называется постоянным в случае неизменности силы тока и его направления, независимо от прошедшего времени.
Существуют следующие разновидности токов:
- токи конвекции (когда появление электрического тока фиксируется при начале перемещения заряженных частиц в пространстве под воздействием не электрических сил (например, движение потока ионов в комнате под влиянием воздушного потока);
- ток поляризации (ситуация с возникновением кратковременных токов в диэлектриках в начальный момент поляризации или в случае переполяризации (снятии поля), когда фиксируется смещение зарядов в диполях);
- токи проводимости (когда под воздействием сил поля начинается перемещение положительных частиц по направлению вектора напряженности, а отрицательных против него; такой вид тока обусловлен колебаниями ионов и электронов в среде).
