الکترواستاتیک - بخشی که بارهای استاتیک (ایستا) و میدان های الکتریکی مرتبط را مطالعه می کند.

حرکت بارها یا وجود ندارد یا به قدری آهسته اتفاق می افتد که آنهایی که در حین جابجایی بارها به وجود می آیند میدانهای مغناطیسیناچیز. قدرت تعامل بین بارها تنها با ترتیب متقابل آنها تعیین می شود. بنابراین، انرژی برهمکنش الکترواستاتیک، انرژی پتانسیل است.

با وجود فراوانی مواد مختلفدر طبیعت، تنها دو نوع بار الکتریکی وجود دارد: بارهایی مشابه بارهایی که روی شیشه مالیده شده روی ابریشم ظاهر می شوند، و بارهایی مشابه بارهایی که روی کهربا مالیده شده روی خز ظاهر می شوند. اولی مثبت و دومی بار منفی نامیده می شد. بنجامین فرانکلین آنها را در سال 1746 نام برد.

به طور کلی، بار اتم هر ماده ای صفر است، زیرا بار مثبت هسته اتم با بار مخالف لایه های الکترونی اتم جبران می شود. تعامل بسیار قوی بین بارها عملاً ظاهر خود به خودی اجسام ماکروسکوپی باردار را از بین می برد. بنابراین، نیروی جاذبه کولن بین یک الکترون و یک پروتون در اتم هیدروژن 1039 برابر بیشتر از برهمکنش گرانشی آنهاست.

معلوم است که مانند بارها دفع می کنند، برخلاف بارها جذب می شوند. علاوه بر این، اگر یک جسم باردار (با هر باری) را به یک نور - بدون شارژ بیاورید، در این صورت جاذبه بین آنها وجود خواهد داشت - این پدیده برقی شدنبدن ریه از طریق نفوذ. در نزدیکترین انتها به جسم باردار، بارهایی با علامت مخالف (بارهای القایی) ظاهر می شوند که به این پدیده می گویند. القای الکترواستاتیک

تجربه نشان می دهد که ظهور یک بار در هر جسمی با ظهور باری به همان بزرگی، اما با علامت مخالف، در جسم دیگر همراه است. به عنوان مثال، هنگامی که یک میله شیشه ای به ابریشم مالیده می شود، هر دو بدن باردار می شوند: میله منفی، ابریشم مثبت.

بنابراین، همه فرآیند شارژوجود دارد فرآیند جداسازی شارژ. مجموع هزینه ها تغییر نمی کند، هزینه ها فقط دوباره توزیع می شوند. این دلالت می کنه که قانون بقای بار - یکی از قوانین بنیادی طبیعت که در سال 1747 توسط بی. فرانکلین تدوین شد و در سال 1843 توسط ام. فارادی تأیید شد: مجموع جبری بارهای ناشی از هر فرآیند الکتریکی بر روی تمام اجسام شرکت کننده در فرآیند همیشه صفر است. . یا به طور خلاصه: بار الکتریکی کل سیستم بستهتغییر نمی کند .

(تظاهرات در مورد موضوعات "محافظت از شارژ" و "انواع هزینه ها" موجود است.)

بارهای الکتریکی به خودی خود وجود ندارند، بلکه ویژگی های داخلی ذرات بنیادی - الکترون ها، پروتون ها و غیره هستند.

به طور تجربی در سال 1914، فیزیکدان آمریکایی R. Millikan نشان داد که بار الکتریکی گسسته است . بار هر جسمی مضرب صحیح است ابتدایی شارژ الکتریکی .

,

جایی که n- یک عدد صحیح الکترون و پروتون به ترتیب حامل بارهای منفی اولیه و مثبت هستند.

به عنوان مثال، زمین ما دارای بار منفی Cl است، این با اندازه گیری قدرت میدان الکترواستاتیک در جو زمین ایجاد شد.

دانشمند معروف فرانسوی C. Coulomb سهم بزرگی در مطالعه پدیده های الکترواستاتیک داشت. در سال 1785 او به طور تجربی قانون تعامل را ایجاد کرد نقطه ثابتبارهای الکتریکی

وقتی اجسام برق دار می شوند، قانون پایستگی بار الکتریکی. این قانون برای سیستم بسته معتبر است. در یک سیستم بسته، مجموع جبری بارهای همه ذرات بدون تغییر باقی می ماند . اگر بارهای ذرات با q 1، q 2 و غیره نشان داده شوند، پس

q 1 + q 2 + q 3 + … + q n= ثابت

قانون اساسی الکترواستاتیک قانون کولن است

اگر فاصله بین اجسام چندین برابر بیشتر از اندازه آنها باشد، نه شکل و نه اندازه اجسام باردار به طور قابل توجهی بر تعامل بین آنها تأثیر نمی گذارد. در این صورت می توان این اجسام را بدنه نقطه ای در نظر گرفت.

قدرت برهمکنش بین اجسام باردار به خواص محیط بین اجسام باردار بستگی دارد.

نیروی برهمکنش بین دو جسم باردار ثابت نقطه ای در خلاء با حاصلضرب مدول های بار نسبت مستقیم و با مجذور فاصله بین آنها نسبت معکوس دارد.این نیرو را نیروی کولن می نامند.

|q 1 | و | q 2 | - ماژول های شارژ بدن،

r- فاصله بین آنها

ک– ضریب تناسب

اف- نیروی تعامل

نیروهای برهمکنش بین دو جسم باردار نقطه ای ثابت در امتداد خط مستقیمی که این اجسام را به هم متصل می کند هدایت می شوند.

واحد بار الکتریکی

واحد جریان آمپر است.

یک عدد آویز(1 Cl) باری است که از سطح مقطع هادی در 1 ثانیه با جریان 1 آمپر عبور می کند

g [Coulomb=Cl]

e=1.610 -19 C

-ثابت الکتریکی

نزدیک و اقدام در فاصله

این فرض که تعامل بین اجسام دور از یکدیگر همیشه با استفاده از آن انجام می شود لینک های میانی(یا محیط) انتقال تعامل از نقطه به نقطه است جوهر نظریه کنش کوتاه برد.توزیع با سرعت محدود

نظریه کنش مستقیمدر فاصله مستقیم از خلاء. بر اساس این نظریه، عمل فوراً در فواصل خودسرانه بزرگ منتقل می شود.

هر دو نظریه متقابلاً در تضاد با یکدیگر هستند. مطابق با نظریه های عمل از راه دوریک بدن مستقیماً از طریق فضای خالی روی بدن دیگر تأثیر می گذارد و این عمل فوراً منتقل می شود.

نظریه کوتاه بردبیان می کند که هر تعاملی با کمک عوامل میانی انجام می شود و با سرعت محدود پخش می شود.

وجود یک فرآیند خاص در فضای بین اجسام متقابل، که مدت زمان محدودی طول می کشد - این است اصلی ترین چیزی که نظریه را متمایز می کندکنش کوتاه برد از تئوری عمل در فاصله.

طبق ایده فارادی بارهای الکتریکی مستقیماً روی یکدیگر تأثیر نمی گذارند.هر یک از آنها یک میدان الکتریکی در فضای اطراف ایجاد می کنند. میدان یک بار روی بار دیگر عمل می کند و بالعکس. با دور شدن از شارژ، میدان ضعیف می شود.

فعل و انفعالات الکترومغناطیسی باید در فضا با سرعتی محدود منتشر شوند.

میدان الکتریکی واقعا وجود دارد، خواص آن را می توان به صورت تجربی مطالعه کرد، اما نمی توانیم بگوییم که این میدان از چه چیزی تشکیل شده است.

در مورد ماهیت میدان الکتریکی می توان گفت که میدان مادی است. اسم است صرف نظر از ما، دانش ما در مورد او;

میدان دارای ویژگی های خاصی است که اجازه نمی دهد آن را با هیچ چیز دیگری در دنیای اطراف اشتباه گرفته شود.

ویژگی اصلی میدان الکتریکی تأثیر آن بر بارهای الکتریکی با مقداری نیرو است.

میدان الکتریکی بارهای ثابت نامیده می شود الکترواستاتیک. با گذشت زمان تغییر نمی کند. میدان الکترواستاتیک فقط توسط بارهای الکتریکی ایجاد می شود. در فضای اطراف این بارها وجود دارد و به طور جدایی ناپذیری با آن مرتبط است.

قدرت میدان الکتریکی

نسبت نیروی وارد بر بار وارد شده در یک نقطه معین از میدان به این بار برای هر نقطه در میدان بستگی به بار ندارد و می تواند به عنوان مشخصه میدان در نظر گرفته شود.

شدت میدان برابر است با نسبت نیرویی که میدان روی یک بار نقطه ای وارد می کند به این بار.

قدرت میدان بار نقطه ای.

.

مدول قدرت میدان یک بار نقطه ای q o در فاصله rبرابر است با:

.

اگر در نقطه معینی از فضا ذرات باردار مختلف میدان های الکتریکی ایجاد کنند که قدرت آنها و غیره، پس قدرت میدان حاصل در این نقطه برابر است با:

خطوط برق کف برق.

قدرت میدان توپ شارژ شده

میدان الکتریکی که قدرت آن در تمام نقاط فضا یکسان باشد نامیده می شود همگن.

چگالی خطوط میدان در نزدیکی اجسام باردار بیشتر است، جایی که قدرت میدان نیز بیشتر است.

-قدرت میدان بار نقطه ای.

در داخل توپ رسانا (r > R)، قدرت میدان صفر است.

هادی ها در یک میدان الکتریکی.

رساناها حاوی ذرات باردار هستند که می توانند تحت تاثیر میدان الکتریکی در داخل هادی حرکت کنند. بارهای این ذرات نامیده می شود هزینه های رایگان

هیچ میدان الکترواستاتیکی در داخل هادی وجود ندارد. تمام بار استاتیکی یک هادی روی سطح آن متمرکز است. بارها در یک هادی فقط می توانند روی سطح آن قرار گیرند.

قانون بقای بار

همه پدیده های طبیعی را نمی توان با استفاده از مفاهیم و قوانین مکانیک، نظریه مولکولی- جنبشی ساختار ماده و ترمودینامیک درک و توضیح داد. این علوم در مورد ماهیت نیروهایی که اتم ها و مولکول ها را به هم متصل می کنند و اتم ها و مولکول های یک ماده را در حالت جامد در فاصله معینی از یکدیگر نگه می دارند، چیزی نمی گویند. قوانین برهمکنش اتم ها و مولکول ها را می توان بر اساس این ایده که بارهای الکتریکی در طبیعت وجود دارد درک و توضیح داد.

ساده ترین و روزمره ترین پدیده ای که در آن حقیقت وجود بارهای الکتریکی در طبیعت آشکار می شود، برقی شدن اجسام در تماس است. برهمکنش اجسامی که در حین الکتریسیته شدن آشکار می شوند، برهمکنش الکترومغناطیسی نامیده می شود و کمیت فیزیکی، که برهمکنش الکترومغناطیسی را تعیین می کند، یک بار الکتریکی است. توانایی بارهای الکتریکی در جذب و دفع نشان دهنده وجود دو است انواع مختلفبارها: مثبت و منفی

بارهای الکتریکی می توانند نه تنها در نتیجه الکتریسیته شدن هنگامی که اجسام در تماس هستند، بلکه در طی فعل و انفعالات دیگر، به عنوان مثال، تحت تأثیر نیرو (اثر پیزوالکتریک) ظاهر شوند. اما همیشه در یک سیستم بسته که بارها را شامل نمی شود، برای هر گونه فعل و انفعالات اجسام، مجموع جبری (یعنی با در نظر گرفتن علامت) بارهای الکتریکی همه اجسام ثابت می ماند. این واقعیت تجربی ثابت شده، قانون بقای بار الکتریکی نامیده می شود.

در هیچ کجا و هرگز در طبیعت بارهای الکتریکی با همان علامت ایجاد یا ناپدید نمی شوند. ظهور یک بار مثبت همیشه با ظاهر یک برابر همراه است قدر مطلق، اما در مقابل بار منفی. نه بارهای مثبت و نه منفی نمی توانند به طور جداگانه از یکدیگر ناپدید شوند اگر از نظر مقدار مطلق برابر باشند.

ظهور و ناپدید شدن بارهای الکتریکی روی اجسام در بیشتر موارد با انتقال ذرات باردار اولیه - الکترون ها - از یک جسم به جسم دیگر توضیح داده می شود. همانطور که می دانید، هر اتمی حاوی یک هسته با بار مثبت و الکترون هایی با بار منفی است. در یک اتم خنثی، بار کل الکترون ها دقیقاً برابر با بار است هسته اتمی. جسمی متشکل از اتم ها و مولکول های خنثی دارای بار الکتریکی کل صفر است.

اگر در نتیجه برهمکنش، بخشی از الکترون ها از جسمی به جسم دیگر عبور کند، یک جسم بار الکتریکی منفی و دومی بار مثبت با قدر مساوی دریافت می کند. هنگامی که دو جسم با بار متفاوت با هم تماس پیدا می کنند، معمولاً بارهای الکتریکی بدون هیچ اثری ناپدید نمی شوند، اما تعداد اضافی الکترون ها از جسم دارای بار منفی به جسمی می رسد که در آن برخی از اتم ها مکمل کاملی از الکترون ندارند. پوسته های آنها

یک مورد خاص، برخورد پادذرات باردار اولیه، به عنوان مثال، یک الکترون و یک پوزیترون است. در این حالت، بارهای الکتریکی مثبت و منفی در واقع ناپدید می شوند، از بین می روند، اما مطابق با قانون بقای بار الکتریکی، زیرا مجموع جبری بارهای الکترون و پوزیترون صفر است.

قانون پایستگی بار الکتریکیبیان می کند که مجموع جبری بارها در یک سیستم بسته الکتریکی حفظ می شود.

قانون بقای بار کاملاً دقیقاً انجام می شود. بر این لحظهمنشا آن به عنوان یک نتیجه از اصل عدم تغییر سنج توضیح داده شده است. شرط عدم تغییر نسبیتی منجر به این واقعیت می شود که قانون بقای بار دارد محلیکاراکتر: تغییر بار در هر حجم از پیش تعیین شده برابر با جریان بار در سراسر مرز آن است. در فرمول اصلی ممکن است روند بعدی: یک بار در یک نقطه از فضا ناپدید می شود و بلافاصله در نقطه دیگر ظاهر می شود. با این حال، چنین فرآیندی از نظر نسبیتی غیر تغییرناپذیر خواهد بود: به دلیل نسبیت همزمانی، در برخی از فریم های مرجع، بار قبل از ناپدید شدن در قاب قبلی در مکانی جدید ظاهر می شود، و در برخی، بار در مکان جدیدی ظاهر می شود. مدتی پس از ناپدید شدن در قبلی. یعنی یک دوره زمانی وجود دارد که در طی آن شارژ باقی نمی ماند. الزام محلی به ما امکان می دهد قانون بقای بار را به شکل دیفرانسیل و انتگرال بنویسیم.

قانون بقای شارژ و عدم تغییر سنج

تقارن در فیزیک
تبدیل	متناظر تغییر ناپذیری	متناظر قانون حفاظت
↕ زمان پخش	یکنواختی زمان	...انرژی
⊠ تقارن های C، P، CP و T	ایزوتروپی زمان	... یکنواختی
↔ فضای پخش	یکنواختی فضا	... تکانه
↺ چرخش فضا	ایزوتروپی فضا	... از لحظه تکانه
⇆ گروه لورنتس	نسبیت تغییر ناپذیری لورنتس	… 4 پالس
~ تبدیل سنج	عدم تغییر سنج	...شارژ

تئوری فیزیکی بیان می کند که هر قانون بقای بر اساس یک اصل بنیادی مربوط به تقارن است. قوانین بقای انرژی، تکانه و تکانه زاویه ای با ویژگی های تقارن فضا-زمان مرتبط هستند. قوانین بقای بارهای الکتریکی، باریون و لپتون نه با خواص فضا-زمان، بلکه با تقارن قوانین فیزیکی مربوط به تبدیل فاز در فضای انتزاعی عملگرهای مکانیکی کوانتومی و بردارهای حالت مرتبط است. میدان های باردار در نظریه میدان کوانتومی با یک تابع موج پیچیده توصیف می شوند که x مختصات فضا-زمان است. ذرات با بارهای مخالف با توابع میدانی مطابقت دارند که در علامت فاز متفاوت هستند، که می‌توان آن را یک مختصات زاویه‌ای در برخی «فضای شارژ» دو بعدی ساختگی در نظر گرفت. قانون بقای بار نتیجه تغییر ناپذیری لاگرانژ تحت یک تبدیل گیج جهانی از نوع است که در آن Q بار ذره توصیف شده توسط میدان است و یک عدد واقعی دلخواه است که یک پارامتر و مستقل از فضا است. مختصات زمانی ذره چنین تبدیل‌هایی مدول تابع را تغییر نمی‌دهند، بنابراین U(1) واحد نامیده می‌شوند.

قانون بقای بار به شکل انتگرال

به یاد بیاورید که چگالی شار یک بار الکتریکی صرفاً چگالی جریان است. این واقعیت که تغییر بار در حجم برابر با کل جریان عبوری از سطح است را می توان به صورت ریاضی نوشت:

در اینجا یک منطقه دلخواه در فضای سه بعدی وجود دارد، - مرز این منطقه، - چگالی بار، - چگالی جریان (چگالی شار بار الکتریکی) در سراسر مرز.

قانون بقای بار به شکل دیفرانسیل

با حرکت به حجم بینهایت کوچک و استفاده از قضیه استوکس در صورت لزوم، می توانیم قانون بقای بار را به صورت دیفرانسیل محلی بازنویسی کنیم (معادله پیوستگی)

قانون بقای بار در الکترونیک

قوانین Kirchhoff برای جریان مستقیماً از قانون بقای بار پیروی می کند. ترکیب هادی ها و قطعات رادیویی الکترونیکی به صورت یک سیستم باز ارائه می شود. هجوم کل هزینه ها به این سیستمبرابر است با مجموع بارهای خروجی از سیستم. قوانین Kirchhoff فرض می کند که یک سیستم الکترونیکی نمی تواند به طور قابل توجهی شارژ کل خود را تغییر دهد.

تایید تجربی

بهترین آزمون آزمایشی قانون بقای بار الکتریکی، جستجوی فروپاشی ذرات بنیادی است که در مورد بقای بار غیر دقیق مجاز است. چنین فروپاشی‌هایی هرگز مشاهده نشده‌اند. بهترین محدودیت تجربی در مورد احتمال نقض قانون بقای بار الکتریکی از جستجوی یک فوتون با انرژی ناشی می‌شود. مک 2/2 ≈ 255 کو، که در واپاشی فرضی یک الکترون به یک نوترینو و یک فوتون ایجاد می شود:

با این حال، استدلال های نظری وجود دارد که چنین واپاشی تک فوتون نمی تواند رخ دهد حتی اگر بار حفظ نشده است. یکی دیگر از فرآیندهای غیرمعمول بدون حفظ بار، تبدیل خود به خود الکترون به پوزیترون و ناپدید شدن بار (انتقال به ابعاد اضافی، تونل زدن از بران و غیره) است. بهترین محدودیت‌های تجربی برای ناپدید شدن یک الکترون همراه با بار الکتریکی و در واپاشی بتا یک نوترون بدون گسیل الکترون.

قانون بقای بار بیان می کند که در هنگام برهمکنش یک سیستم بسته با فضای اطراف، مقدار باری که از سطح سیستم خارج می شود، برابر با مقدار باری است که وارد سیستم می شود. به عبارت دیگر، مجموع جبری تمام بارهای سیستم برابر با صفر است.

فرمول 1 - قانون بقای بار

همانطور که در طبیعت مشخص است، دو نوع اتهام وجود دارد. اینها مثبت و منفی هستند. همچنین مقدار شارژ گسسته است، یعنی فقط می تواند در قسمت ها تغییر کند. بار ابتدایی بار یک الکترون است. اگر یک الکترون به یک اتم اضافه شود، تبدیل به یونی با بار منفی می شود. و اگر آن را بردارید، مثبت است.

ایده اصلی قانون بقای بار این است که بار از هیچ ظاهر نمی شود و در هیچ جا ناپدید نمی شود. هنگامی که باری از یک علامت ظاهر می شود، بلافاصله باری از علامت مخالف به همان قدر ظاهر می شود.

برای تایید این قانون، آزمایشی را انجام خواهیم داد. برای این کار به دو الکترومتر نیاز داریم. اینها وسایلی هستند که بار الکتریکی را نشان می دهند. از یک میله تشکیل شده است که یک محور به آن متصل است. یک فلش در محور وجود دارد. همه اینها در یک محفظه استوانه ای قرار می گیرد که از دو طرف با شیشه بسته شده است.

روی میله الکترومتر اول یک دیسک فلزی وجود دارد. که دیسک مشابه دیگری را روی آن قرار خواهیم داد. نوعی عایق باید بین دیسک ها گذاشته شود. مثلا پارچه. دیسک بالایی دارای دسته دی الکتریک است. با نگه داشتن این دسته، دیسک ها را روی هم بمالید. بنابراین، آنها را برق می دهد.

شکل 1 - الکترومترهایی با دیسک های متصل به آنها

پس از برداشتن دیسک بالا، الکترومتر وجود شارژ را نشان می دهد. سوزن او منحرف خواهد شد. بعد، دیسک را می گیریم و آن را به میله الکترومتر دوم لمس می کنیم. فلش نیز منحرف خواهد شد، که نشان دهنده وجود شارژ است. اگر چه شارژ از علامت مخالف خواهد بود. در مرحله بعد، اگر میله های الکترومترها را به هم وصل کنیم، فلش ها به حالت اولیه خود باز می گردند. یعنی اتهامات یکدیگر را جبران می کنند.

شکل 2 - جبران شارژ دیسک

در این آزمایش چه اتفاقی افتاد؟ هنگامی که دیسک ها را به یکدیگر مالیدیم، جدایی از بارها در فلز دیسک ها رخ داد. در ابتدا، هر دیسک از نظر الکتریکی خنثی بود. یکی از آنها الکترون اضافی دریافت کرد، یعنی بار منفی. دیگری کمبود الکترون داشت، یعنی بار مثبت پیدا کرد.

اتهامات این پرونده بی دلیل ظاهر نشد. آنها قبلاً داخل دیسک های رسانا بودند. فقط آنها بین خودشان غرامت گرفتند. تازه از هم جداشون کردیم با قرار دادن آنها بر روی دیسک های مختلف. وقتی میله های الکترومترها را به هم وصل کردیم، بارها دوباره همدیگر را جبران کردند. فلش ها چه چیزی را نشان می دادند؟

اگر الکترومترها و دیسک ها را به عنوان در نظر بگیریم سیستم یکپارچه. یعنی علیرغم تمام دستکاری های ما، شارژ کل این سیستم در تمام مدت ثابت بود. که در لحظه شروعدیسک ها از نظر الکتریکی خنثی بودند. پس از جداسازی، بارهای مثبت و منفی حجمی ظاهر شد. آنها فقط از نظر اندازه یکسان بودند. این بدان معنی است که شارژ در سیستم ثابت می ماند. پس از اتصال میله ها، سیستم به حالت اولیه خود بازگشت.