Warto przeczytać

Elektrostatyka jest działem fizyki, który opisuje spoczywające ładunki elektryczne i oddziaływania między nimi.

Wyróżniamy dwa rodzaje ładunków: dodatnie i ujemne. Jeśli ilość ładunków dodatnich i ujemnych w ciele jest taka sama, to mówimy, że ciało jest elektrycznie obojętne. Jeśli przeważa jeden rodzaj ładunków to mówimy, że ciało jest naelektryzowane.

Wyróżniamy trzy sposoby elektryzowania ciał: przez pocieranie, przez dotyk - ładunki przepływają między ciałami (ten rodzaj naelektryzowania jest trwały), przez indukcję – ładunki przesuwają się w obrębie elektryzowanego ciała (ten rodzaj naelektryzowania nie jest trwały).

W zamkniętym układzie całkowity ładunek zawsze jest stały, mówi nam o tym zasada zachowania ładunku. Jednak może być on przenoszony między ciałami w ramach tego układu.

O tym, w jaki sposób oddziaływają ze sobą dwa ładunki, mówi nam prawo Coulomba:

Siła F działająca między dwoma ładunkami punktowymi qIndeks dolny 1₁ i qIndeks dolny 2₂ znajdującymi się w odległości r od siebie jest proporcjonalna do iloczynu wartości tych ładunków i odwrotnie proporcjonalna do kwadratu odległości między nimi:

Współczynnik proporcjonalności k w próżni wynosi $k=9\cdot {10}^9\frac{N\cdot m^2}{C^2}$.

Jeśli ładunki są jednoimienne (tzn. dwa dodatnie lub oba ujemne), to się odpychają, jeśli są różnoimienne, to się przyciągają.

Jeśli na umieszczone w pewnej przestrzeni naładowane ciało działa siła elektrostatyczna, która jest proporcjonalna do ładunku tego ciała, to mówimy, że w tej przestrzeni istnieje pole elektryczne.

Pole elektryczne możemy zilustrować graficznie za pomocą linii pola. Zwrot linii pola jest taki, jak zwrot siły działającej na próbny ładunekładunek próbnypróbny ładunek dodatni umieszczony w opisywanym polu.

Rozkład linii sił pola wokół ładunku punktowego obrazuje Rys. 1a i 1b, natomiast rozkład linii pola dla dwóch ładunków pokazuje Rys. 1c i 1d.

R3GN6uPlJKsUz

Rys. 1. Rysunek przedstawia linie pola elektrycznego wokół ładunków punktowych. Ładunki dodatnie narysowane są barwą czerwoną, ujemne niebieską. Przedstawione są 4 sytuacje:
Rysunek a. przedstawia pojedynczy ładunek punktowy dodatni w postaci kółka z plusem( krzyżykiem) w środku. Linie pola są prostymi rozchodzącymi się gwiaździście od środka. Zwroty linii są od centrum.
Rysunek b. przedstawia ujemny ładunek. Również zobrazowany jest w postaci kółka, ale z minusem w środku. Linie są promieniste, ze zwrotem ku środkowi .
Rysunek c. przedstawia linie pola elektrycznego wytworzonego przez dwa ładunki dodatnie‑narysowane jako dwa kółka z plusem w środku. W centralnej części rysunku pomiędzy ładunkami nie ma linii, co znaczy, że nie ma pola elektrycznego. Poza tym obszarem linie od ładunków rozchodzą się promieniście i mają zwroty od środka na zewnątrz.
Rysunek d. przedstawia linie pola elektrycznego wytworzonego przez dwa różnoimienne ładunki. W centralnym obszarze pomiędzy ładunkami linie pola są gęsto ułożonymi liniami prostymi biegnącymi od ładunku dodatnie do ujemnego. Na bokach tego obszaru tworzą krzywe zamknięte przypominające elipsy o zwrotach od ładunku dodatniego do ujemnego. Poza tym obszarem linie rozbiegają się od ładunków promieniście ze zwrotami jak poprzednio.

Jeśli na pewnym ciele o powierzchni S znajduje się ładunek q, to stosunek ładunku do powierzchni, na której się on znajduje, nazywamy gęstością powierzchniową ładunku i oznaczamy go grecką literą sigma „$\sigma$”:

$\sigma$ - gęstość powierzchniowa ładunku $\left[\frac{C}{m^2}\right]$

q – wartość ładunku elektrycznego [C]

S - pole powierzchni, na której znajduje się ładunek [$m^2$]

Z punktu widzenia własności elektrycznych ciała możemy podzielić na przewodniki – w których ładunki mogą poruszać się swobodnie i izolatory (dielektryki) – w których nie jest możliwy swobodny ruch ładunków.

Układ dwóch równoległych płyt przewodzących ustawionych w niewielkiej odległości od siebie tworzy kondensator płaski. Kondensator służy do magazynowania energii. Ładujemy go poprzez naniesienie na okładki ładunków elektrycznych. Na Rys. 2. przedstawiono schemat naładowanego kondensatora płaskiego.

R1VXXNfwlB6Qe

Rys. 2. Rysunek przedstawia schemat naładowanego kondensatora płaskiego. Są to dwie prostopadłe linie proste przedstawiające schematycznie dwie płyty zwane okładkami, naładowane różnoimiennie. Na rysunku lewa naładowana jest dodatnio, co zaznaczone jest plusami, prawa ujemnie- minusy na rysunku. Pole elektryczne pomiędzy nimi jest polem jednorodnym, co narysowane jest w postaci linii poziomych równoległych o zwrotach od płyty dodatniej do ujemnej.

Część rozszerzona:

• jeżeli na jednostkowy dodatni ładunek próbny działa siła $\vec{F}$, to iloraz tej siły do wartości ładunku q nazywamy natężeniem pola elektrycznego i oznaczamy go symbolem $\vec{E}$

• Uogólnieniem prawa Coulomba jest prawo Gaussa. Mówi ono, że strumień ΦphiIndeks dolny E_E natężenia pola elektrycznego $\vec{E}$ przenikający przez powierzchnię zamkniętą S jest równy sumarycznemu ładunkowi q wewnątrz tej powierzchni podzielonemu przez przenikalność elektryczną próżniprzenikalność elektryczna próżniprzenikalność elektryczną próżni ${\epsilon }_0$:

Czyli:

• Na Rys. 2. przedstawiającym kondensator, zaznaczono linie sił pola elektrycznego między okładkami. Wartość natężenia pola w kondensatorze płaskim E zależy od różnicy potencjałów na jego okładkach $\Delta V$ i odległości miedzy nimi d:

Ważną wielkością fizyczną, charakteryzującą właściwości elektryczne przewodnika jest pojemność elektryczna. Oznaczmy ją literą C. Miarą tej wielkości jest stosunek zgromadzonego na przewodniku ładunku q do różnicy potencjałów przewodnika $\Delta V,$ jaki ten ładunek wytworzy:

Pojemność elektryczna dotyczy tylko materiałów określanych jako przewodniki. Dla kondensatora płaskiego o powierzchni okładek S i odległości między nimi d, pojemność możemy wyznaczyć także na podstawie jego parametrów geometrycznych. Korzystając ze wzoru:

gdzie ${\epsilon }_0$ to przenikalność elektryczna próżni (${\epsilon }_0=8,85\cdot {10}^{-12}\frac{F}{m}$), a ${\epsilon }_r$ to przenikalność względna dielektryka (umieszczenie dielektryka między okładkami kondensatora zwiększa jego pojemność), dla powietrza ${\epsilon }_r\cong 1$.

• Kondensatory możemy łączyć. Aby zwiększyć pojemność układu, kondensatory łączymy równolegle (Rys. 3a), aby zwiększyć napięcie (różnicę potencjałów) kondensatory łączymy szeregowo (Rys. 3b).

R10hDvpkX1FbJ

Rys. 3. Rysunek przedstawia schematy łączenia kondensatorów Na rysunku przy każdym kondensatorze napisany jest symbol C- oznaczający pojemność i indeksem numerującym kondensator ( 1, 2 lub 3) prawe okładki kondensatorów maja ładunek minus Q, lewe plus Q również z indeksem numeru kondensatora. Po lewej stronie rysunku jest układ trzech kondensatorów połączonych równolegle. Oznacza to, że prawe okładki połączone są ze sobą wspólnym przewodem i lewe połączone wspólnym przewodem. Okładki prawe i lewe podłączone są do jednakowego napięcia. Po prawej stronie rysunku jest schemat trzech kondensatorów połączonych szeregowo. Oznacza to, że prawa okładka jednego kondensatora połączona jest z lewą okładka następnego. W ten sposób trzy kondensatory ustawione są w poziomie jeden za drugim i na każdym z nich jest inne napięcie. Na rysunku zaznaczone jako wielka litera U z indeksem dolnym 1, wielka litera U z indeksem dolnym 2, wielka litera U z indeksem dolnym 3. Całkowite napięcie rozkłada się na trzy kondensatory.

Aby obliczyć ładunek, różnicę potencjałów i pojemność układu kondensatorów, wyliczamy te parametry dla kondensatora zastępczego (hipotetycznego kondensatora, który mógłby zastąpić badany układ):

Najważniejsze jednostki:

Słowniczek