Rumus dasar elektrostatika. Apa yang dapat dilakukan elektrostatika Rumus fisika topik elektrostatika

YouTube ensiklopedis

  • 1 / 5

    Fondasi elektrostatika diletakkan oleh karya Coulomb (walaupun sepuluh tahun sebelumnya, hasil yang sama, bahkan dengan akurasi yang lebih besar, diperoleh oleh Cavendish. Hasil karya Cavendish disimpan dalam arsip keluarga dan hanya dipublikasikan seratus bertahun-tahun kemudian); hukum interaksi listrik yang ditemukan oleh Poisson memungkinkan Green, Gauss dan Poisson menciptakan teori yang elegan secara matematis. Bagian terpenting dari elektrostatika adalah teori potensial, yang diciptakan oleh Green dan Gauss. Banyak penelitian eksperimental tentang elektrostatika dilakukan oleh Rees, yang buku-bukunya di masa lalu menjadi panduan utama untuk mempelajari fenomena ini.

    Konstanta dielektrik

    Menemukan nilai koefisien dielektrik K suatu zat, suatu koefisien yang termasuk dalam hampir semua rumus yang harus dihadapi dalam elektrostatika, dapat dilakukan dengan cara yang sangat berbeda. Metode yang paling umum digunakan adalah sebagai berikut.

    1) Perbandingan kapasitansi listrik dari dua kapasitor yang mempunyai ukuran dan bentuk yang sama, tetapi yang satu lapisan insulasinya berupa lapisan udara, yang lain lapisan dielektrik yang diuji.

    2) Perbandingan gaya tarik menarik antara permukaan kapasitor, ketika beda potensial tertentu diberikan pada permukaan tersebut, tetapi dalam satu kasus terdapat udara di antara keduanya (gaya tarik menarik = F 0), dalam kasus lain, isolator cairan uji ( gaya tarik menarik = F). Koefisien dielektrik dicari dengan rumus:

    K = F 0 F . (\gaya tampilan K=(\frac (F_(0))(F)).)

    3) Pengamatan gelombang listrik (lihat Osilasi listrik) yang merambat sepanjang kabel. Menurut teori Maxwell, kecepatan rambat gelombang listrik sepanjang kabel dinyatakan dengan rumus

    V = 1 K μ . (\displaystyle V=(\frac (1)(\sqrt (K\mu ))).)

    di mana K menunjukkan koefisien dielektrik medium yang mengelilingi kawat, μ menunjukkan permeabilitas magnetik medium tersebut. Kita dapat menempatkan μ = 1 untuk sebagian besar benda, dan oleh karena itu hasilnya adalah

    V = 1 K. (\displaystyle V=(\frac (1)(\sqrt (K))).)

    Biasanya panjang gelombang listrik berdiri yang timbul pada bagian kawat yang sama yang terletak di udara dan pada uji dielektrik (cair) dibandingkan. Setelah menentukan panjang λ 0 dan λ ini, kita memperoleh K = λ 0 2 / λ 2. Menurut teori Maxwell, ketika medan listrik tereksitasi pada suatu zat isolasi, deformasi khusus terjadi di dalam zat tersebut. Sepanjang tabung induksi, media isolasi terpolarisasi. Perpindahan listrik timbul di dalamnya, yang dapat diibaratkan dengan pergerakan listrik positif searah sumbu tabung-tabung tersebut, dan melalui setiap penampang tabung dilewatkan sejumlah listrik sebesar

    D = 1 4 π K F . (\displaystyle D=(\frac (1)(4\pi ))KF.)

    Teori Maxwell memungkinkan untuk menemukan ekspresi gaya-gaya internal (gaya tegangan dan tekanan) yang muncul dalam dielektrik ketika medan listrik tereksitasi di dalamnya. Pertanyaan ini pertama kali dipertimbangkan oleh Maxwell sendiri, dan kemudian secara lebih rinci oleh Helmholtz. Perkembangan lebih lanjut dari teori masalah ini dan teori elektrostriksi yang terkait erat (yaitu, teori yang mempertimbangkan fenomena yang bergantung pada terjadinya tegangan khusus pada dielektrik ketika medan listrik tereksitasi di dalamnya) termasuk dalam karya Lorberg, Kirchhoff, P. Duhem, N. N. Schiller dan beberapa lainnya

    Kondisi perbatasan

    Mari kita selesaikan presentasi singkat kita tentang aspek paling penting dari penyempitan listrik dengan mempertimbangkan masalah pembiasan tabung induksi. Mari kita bayangkan dua dielektrik dalam medan listrik, dipisahkan satu sama lain oleh suatu permukaan S, dengan koefisien dielektrik K 1 dan K 2.

    Misalkan pada titik P 1 dan P 2 yang terletak sangat dekat dengan permukaan S di kedua sisinya, besaran potensial dinyatakan dalam V 1 dan V 2 , dan besaran gaya yang dialami oleh satuan listrik positif ditempatkan pada titik-titik ini melalui F 1 dan F 2. Maka untuk titik P yang terletak pada permukaan S itu sendiri, pasti terdapat 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))

    jika ds menyatakan perpindahan yang sangat kecil sepanjang garis perpotongan bidang singgung permukaan S di titik P dengan bidang yang melalui garis normal ke permukaan pada titik ini dan melalui arah gaya listrik di dalamnya. Di sisi lain, seharusnya demikian

    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))

    Mari kita nyatakan dengan ε 2 sudut yang dibuat oleh gaya F 2 dengan normal n2 (di dalam dielektrik kedua), dan dengan ε 1 sudut yang dibuat oleh gaya F 1 dengan normal n 2 yang sama. Kemudian, dengan menggunakan rumus (31) dan (30), kami menemukan

    tg ε 1 tg ε 2 = K 1 K 2 . (\displaystyle (\frac (\mathrm (tg) (\varepsilon _(1)))(\mathrm (tg) (\varepsilon _(2))))=(\frac (K_(1))(K_( 2))).)

    Jadi, pada permukaan yang memisahkan dua dielektrik, gaya listrik mengalami perubahan arahnya, seperti sinar cahaya yang masuk dari satu medium ke medium lain. Konsekuensi teori ini dibenarkan oleh pengalaman.

  • Hukum Dasar Dinamika. Hukum Newton - pertama, kedua, ketiga. Prinsip relativitas Galileo. Hukum gravitasi universal. Gravitasi. Kekuatan elastis. Berat. Gaya gesekan - diam, meluncur, menggelinding + gesekan pada zat cair dan gas.
  • Kinematika. Konsep dasar. Gerak lurus beraturan. Gerak dipercepat beraturan. Gerakan seragam dalam lingkaran. Sistem referensi. Lintasan, perpindahan, lintasan, persamaan gerak, kecepatan, percepatan, hubungan kecepatan linier dan sudut.
  • Mekanisme sederhana. Tuas (tuas jenis pertama dan tuas jenis kedua). Blok (blok tetap dan blok bergerak). Bidang miring. Tekan Hidrolik. Aturan emas mekanika
  • Hukum kekekalan dalam mekanika. Usaha mekanik, daya, energi, hukum kekekalan momentum, hukum kekekalan energi, kesetimbangan zat padat
  • Gerakan melingkar. Persamaan gerak dalam lingkaran. Kecepatan sudut. Normal = percepatan sentripetal. Periode, frekuensi peredaran (rotasi). Hubungan antara kecepatan linier dan sudut
  • Getaran mekanis. Getaran bebas dan paksa. Getaran harmonik. Getaran elastis. Pendulum matematika. Transformasi energi selama osilasi harmonik
  • Gelombang mekanis. Kecepatan dan panjang gelombang. Persamaan gelombang berjalan. Fenomena gelombang (difraksi, interferensi...)
  • Mekanika fluida dan aeromekanik. Tekanan, tekanan hidrostatik. hukum Pascal. Persamaan dasar hidrostatika. Kapal komunikasi. hukum Archimedes. Kondisi berlayar tel. Aliran fluida. hukum Bernoulli. rumus toricelli
  • Fisika molekuler. Ketentuan dasar TIK. Konsep dan rumus dasar. Sifat-sifat gas ideal. Persamaan dasar MKT. Suhu. Persamaan keadaan gas ideal. Persamaan Mendeleev-Clayperon. Hukum gas - isoterm, isobar, isokore
  • Optik gelombang. Teori cahaya gelombang partikel. Sifat gelombang cahaya. Dispersi cahaya. Interferensi cahaya. Prinsip Huygens-Fresnel. Difraksi cahaya. Polarisasi cahaya
  • Termodinamika. Energi dalam. Pekerjaan. Jumlah panas. Fenomena termal. Hukum pertama termodinamika. Penerapan hukum pertama termodinamika pada berbagai proses. Persamaan keseimbangan termal. Hukum kedua termodinamika. Mesin panas
  • Kamu disini sekarang: Elektrostatika. Konsep dasar. Muatan listrik. Hukum kekekalan muatan listrik. hukum Coulomb. Prinsip superposisi. Teori aksi jarak pendek. Potensi medan listrik. Kapasitor.
  • Arus listrik konstan. Hukum Ohm untuk suatu bagian rangkaian. Operasi dan daya DC. hukum Joule-Lenz. Hukum Ohm untuk rangkaian lengkap. Hukum elektrolisis Faraday. Sirkuit listrik - koneksi serial dan paralel. aturan Kirchhoff.
  • Getaran elektromagnetik. Osilasi elektromagnetik bebas dan paksa. Rangkaian osilasi. Arus listrik bolak-balik. Kapasitor pada rangkaian arus bolak-balik. Sebuah induktor (“solenoid”) dalam rangkaian arus bolak-balik.
  • Elemen teori relativitas. Postulat teori relativitas. Relativitas simultanitas, jarak, interval waktu. Hukum relativistik penambahan kecepatan. Ketergantungan massa pada kecepatan. Hukum dasar dinamika relativistik...
  • Kesalahan pengukuran langsung dan tidak langsung. Kesalahan absolut dan relatif. Kesalahan sistematis dan acak. Standar deviasi (kesalahan). Tabel untuk menentukan kesalahan pengukuran tidak langsung berbagai fungsi.

    • Muatan listrik adalah besaran fisika yang mencirikan kemampuan partikel atau benda untuk melakukan interaksi elektromagnetik. Muatan listrik biasanya dilambangkan dengan huruf Q atau Q. Dalam sistem SI, muatan listrik diukur dalam Coulomb (C). Muatan gratis sebesar 1 C adalah jumlah muatan yang sangat besar, praktis tidak ditemukan di alam. Biasanya, Anda harus berurusan dengan mikrocoulomb (1 µC = 10 -6 C), nanocoulomb (1 nC = 10 -9 C) dan picoculomb (1 pC = 10 -12 C). Muatan listrik mempunyai sifat sebagai berikut:

    1. Muatan listrik adalah salah satu jenis materi.

    2. Muatan listrik tidak bergantung pada pergerakan partikel dan kecepatannya.

    3. Biaya dapat ditransfer (misalnya melalui kontak langsung) dari satu badan ke badan lainnya. Berbeda dengan massa suatu benda, muatan listrik bukanlah karakteristik integral suatu benda. Benda yang sama dalam kondisi berbeda dapat mempunyai muatan berbeda.

    4. Ada dua jenis muatan listrik, yang biasa disebut positif Dan negatif.

    5. Semua muatan berinteraksi satu sama lain. Dalam hal ini, muatan yang sejenis akan tolak-menolak, sedangkan muatan yang tidak sejenis akan tarik menarik. Gaya interaksi antar muatan bersifat sentral, yaitu terletak pada garis lurus yang menghubungkan pusat-pusat muatan.

    6. Ada muatan listrik minimum (modulo) yang mungkin, disebut muatan dasar. Artinya:

    e= 1,602177·10 –19 C ≈ 1,6·10 –19 C.

    Muatan listrik suatu benda selalu merupakan kelipatan muatan dasar:

    Di mana: N– bilangan bulat. Harap dicatat bahwa tidak mungkin ada muatan sebesar 0,5 e; 1,7e; 22,7e dan seterusnya. Besaran fisika yang hanya dapat mengambil rangkaian nilai diskrit (tidak kontinu) disebut terkuantisasi. Muatan dasar e adalah kuantum (bagian terkecil) muatan listrik.

    Dalam sistem terisolasi, jumlah aljabar muatan semua benda tetap:

    Hukum kekekalan muatan listrik menyatakan bahwa dalam sistem benda tertutup, proses penciptaan atau hilangnya muatan yang hanya bertanda satu tidak dapat diamati. Hal ini juga mengikuti hukum kekekalan muatan bahwa jika dua benda dengan ukuran dan bentuk yang sama mempunyai muatan Q 1 dan Q 2 (tidak peduli apa tanda muatannya), dikontakkan, lalu dipisahkan kembali, maka muatan masing-masing benda akan menjadi sama:

    Dari sudut pandang modern, pembawa muatan adalah partikel elementer. Semua benda biasa terdiri dari atom, termasuk yang bermuatan positif proton, bermuatan negatif elektron dan partikel netral - neutron. Proton dan neutron merupakan bagian dari inti atom, elektron membentuk kulit elektron atom. Muatan listrik proton dan elektron memiliki nilai absolut yang sama persis dan sama dengan muatan elementer (yaitu, muatan minimum yang mungkin). e.

    Pada atom netral, jumlah proton dalam inti sama dengan jumlah elektron pada kulitnya. Nomor ini disebut nomor atom. Sebuah atom suatu zat mungkin kehilangan satu atau lebih elektron, atau memperoleh elektron tambahan. Dalam kasus ini, atom netral berubah menjadi ion bermuatan positif atau negatif. Perlu diketahui bahwa proton positif merupakan bagian dari inti atom, sehingga jumlahnya hanya dapat berubah selama reaksi nuklir. Jelaslah bahwa ketika suatu benda dialiri arus listrik, reaksi nuklir tidak terjadi. Oleh karena itu, dalam setiap fenomena kelistrikan, jumlah proton tidak berubah, hanya jumlah elektron yang berubah. Jadi, memberikan muatan negatif pada suatu benda berarti mentransfer elektron ekstra ke benda tersebut. Dan pesan tentang muatan positif, bertentangan dengan kesalahan umum, tidak berarti penambahan proton, tetapi pengurangan elektron. Muatan dapat ditransfer dari satu benda ke benda lain hanya dalam bagian yang mengandung jumlah elektron bilangan bulat.

    Kadang-kadang dalam masalah muatan listrik didistribusikan ke suatu benda tertentu. Untuk menggambarkan distribusi ini, besaran berikut diperkenalkan:

    1. Kepadatan muatan linier. Digunakan untuk menggambarkan distribusi muatan sepanjang filamen:

    Di mana: L– panjang benang. Diukur dalam C/m.

    2. Kepadatan muatan permukaan. Digunakan untuk menggambarkan distribusi muatan pada permukaan suatu benda:

    Di mana: S– luas permukaan tubuh. Diukur dalam C/m2.

    3. Kepadatan muatan volume. Digunakan untuk menggambarkan distribusi muatan pada volume suatu benda:

    Di mana: V– volume tubuh. Diukur dalam C/m3.

    Harap dicatat bahwa massa elektron adalah sama dengan:

    Saya= 9,11∙10 –31kg.

    hukum Coulomb

    Biaya poin disebut benda bermuatan, yang dimensinya dapat diabaikan dalam kondisi soal ini. Berdasarkan berbagai eksperimen, Coulomb menetapkan hukum berikut:

    Gaya interaksi antara muatan titik diam berbanding lurus dengan hasil kali modulus muatan dan berbanding terbalik dengan kuadrat jarak antara keduanya:

    Di mana: ε – konstanta dielektrik suatu medium adalah besaran fisis tak berdimensi yang menunjukkan berapa kali gaya interaksi elektrostatik dalam suatu medium tertentu akan lebih kecil daripada dalam ruang hampa (yaitu, berapa kali medium tersebut melemahkan interaksi). Di Sini k– koefisien dalam hukum Coulomb, nilai yang menentukan nilai numerik gaya interaksi muatan. Dalam sistem SI nilainya diambil sama dengan:

    k= 9∙10 9 m/F.

    Gaya interaksi antar muatan titik tetap mematuhi hukum ketiga Newton, dan merupakan gaya tolak menolak satu sama lain yang tanda muatannya sama dan gaya tarik menarik satu sama lain yang tandanya berbeda. Interaksi muatan listrik yang diam disebut elektrostatis atau interaksi Coulomb. Cabang elektrodinamika yang mempelajari interaksi Coulomb disebut elektrostatika.

    Hukum Coulomb berlaku untuk benda bermuatan titik, bola dan bola bermuatan seragam. Dalam hal ini, untuk jarak R ambil jarak antara pusat bola atau bola. Dalam praktiknya, hukum Coulomb terpenuhi jika ukuran benda bermuatan jauh lebih kecil daripada jarak antar benda. Koefisien k dalam sistem SI terkadang ditulis sebagai:

    Di mana: ε 0 = 8,85∙10 –12 F/m – konstanta listrik.

    Pengalaman menunjukkan bahwa gaya interaksi Coulomb mematuhi prinsip superposisi: jika suatu benda bermuatan berinteraksi secara bersamaan dengan beberapa benda bermuatan, maka gaya yang dihasilkan yang bekerja pada benda tersebut sama dengan jumlah vektor gaya yang bekerja pada benda tersebut dari semua muatan lainnya. tubuh.

    Ingat juga dua definisi penting:

    Konduktor– zat yang mengandung pembawa muatan listrik bebas. Di dalam konduktor, pergerakan bebas elektron - pembawa muatan - dimungkinkan (arus listrik dapat mengalir melalui konduktor). Konduktor meliputi logam, larutan dan lelehan elektrolit, gas terionisasi, dan plasma.

    Dielektrik (isolator)– zat yang tidak mengandung pembawa muatan bebas. Pergerakan bebas elektron di dalam dielektrik tidak mungkin terjadi (arus listrik tidak dapat mengalir melaluinya). Merupakan dielektrik yang mempunyai konstanta dielektrik tertentu, tidak sama dengan satu. ε .

    Untuk konstanta dielektrik suatu zat, persamaan berikut ini benar (berapa medan listrik tepat di bawah):

    Medan listrik dan intensitasnya

    Menurut konsep modern, muatan listrik tidak bekerja satu sama lain secara langsung. Setiap benda bermuatan menciptakan ruang di sekitarnya Medan listrik. Medan ini memberikan gaya pada benda bermuatan lainnya. Sifat utama medan listrik adalah pengaruh gaya tertentu terhadap muatan listrik. Dengan demikian, interaksi benda-benda bermuatan dilakukan bukan melalui pengaruh langsungnya satu sama lain, tetapi melalui medan listrik yang mengelilingi benda-benda bermuatan tersebut.

    Medan listrik yang mengelilingi benda bermuatan dapat dipelajari menggunakan apa yang disebut muatan uji - muatan titik kecil yang tidak menyebabkan redistribusi muatan yang sedang dipelajari. Untuk menentukan medan listrik secara kuantitatif, karakteristik gaya diperkenalkan - kekuatan medan listrik E.

    Kuat medan listrik adalah besaran fisis yang sama dengan perbandingan gaya yang bekerja pada muatan uji yang ditempatkan pada suatu titik tertentu di medan dengan besar muatan tersebut:

    Kuat medan listrik merupakan besaran fisis vektor. Arah vektor tegangan pada setiap titik dalam ruang bertepatan dengan arah gaya yang bekerja pada muatan uji positif. Medan listrik muatan stasioner yang tidak berubah terhadap waktu disebut elektrostatis.

    Untuk mewakili medan listrik secara visual, gunakan saluran listrik. Garis-garis ini ditarik sedemikian rupa sehingga arah vektor tegangan pada setiap titik berimpit dengan arah garis singgung garis gaya. Garis bidang mempunyai sifat sebagai berikut.

    • Garis medan elektrostatis tidak pernah berpotongan.
    • Garis-garis medan elektrostatis selalu berarah dari muatan positif ke muatan negatif.
    • Saat menggambarkan medan listrik menggunakan garis-garis medan, kerapatannya harus sebanding dengan besarnya vektor kuat medan.
    • Garis-garis gaya dimulai pada muatan positif, atau tak terhingga, dan berakhir pada muatan negatif, atau tak terhingga. Semakin besar tegangannya, semakin besar pula kerapatan garisnya.
    • Pada suatu titik dalam ruang, hanya satu garis gaya yang dapat lewat, karena Kuat medan listrik pada suatu titik dalam ruang ditentukan secara unik.

    Medan listrik disebut seragam jika vektor intensitasnya sama di semua titik medan. Misalnya, medan seragam diciptakan oleh kapasitor datar - dua pelat bermuatan muatan yang sama besarnya dan berlawanan tanda, dipisahkan oleh lapisan dielektrik, dan jarak antar pelat jauh lebih kecil daripada ukuran pelat.

    Di semua titik medan seragam terdapat muatan Q, diperkenalkan ke bidang seragam dengan intensitas E, gaya yang besar dan arahnya sama bekerja, sama dengan F = Persamaan. Apalagi jika ditagih Q positif, maka arah gaya bertepatan dengan arah vektor tegangan, dan jika muatannya negatif, maka vektor gaya dan tegangan berlawanan arah.

    Muatan titik positif dan negatif ditunjukkan pada gambar:

    Prinsip superposisi

    Jika medan listrik yang ditimbulkan oleh beberapa benda bermuatan dipelajari dengan menggunakan muatan uji, maka gaya yang dihasilkan sama dengan jumlah geometri gaya-gaya yang bekerja pada muatan uji dari masing-masing benda bermuatan secara terpisah. Oleh karena itu, kuat medan listrik yang ditimbulkan oleh suatu sistem muatan pada suatu titik tertentu dalam ruang sama dengan jumlah vektor kuat medan listrik yang ditimbulkan pada titik yang sama oleh muatan-muatan secara terpisah:

    Sifat medan listrik ini berarti bahwa medan tersebut patuh prinsip superposisi. Sesuai dengan hukum Coulomb, kekuatan medan elektrostatik diciptakan oleh muatan titik Q pada jarak R dari itu, sama dalam modulus:

    Bidang ini disebut bidang Coulomb. Dalam medan Coulomb, arah vektor intensitas bergantung pada tanda muatan Q: Jika Q> 0, maka vektor tegangan diarahkan menjauhi muatan, jika Q < 0, то вектор напряженности направлен к заряду. Величина напряжённости зависит от величины заряда, среды, в которой находится заряд, и уменьшается с увеличением расстояния.

    Kuat medan listrik yang ditimbulkan oleh bidang bermuatan di dekat permukaannya:

    Jadi, jika soal tersebut memerlukan penentuan kuat medan suatu sistem muatan, maka kita harus melanjutkan sebagai berikut algoritma:

    1. Menggambar.
    2. Gambarkan kuat medan masing-masing muatan secara terpisah pada titik yang diinginkan. Ingatlah bahwa tegangan diarahkan ke muatan negatif dan menjauhi muatan positif.
    3. Hitung masing-masing tegangan menggunakan rumus yang sesuai.
    4. Tambahkan vektor tegangan secara geometris (yaitu secara vektor).

    Energi potensial interaksi muatan

    Muatan listrik berinteraksi satu sama lain dan dengan medan listrik. Setiap interaksi dijelaskan oleh energi potensial. Energi potensial interaksi muatan listrik dua titik dihitung dengan rumus:

    Harap dicatat bahwa biaya tidak memiliki modul. Karena muatan yang berbeda, energi interaksi mempunyai nilai negatif. Rumus yang sama juga berlaku untuk energi interaksi bola dan bola bermuatan seragam. Seperti biasa, dalam hal ini jarak r diukur antara pusat bola atau bola. Jika tidak ada dua, tetapi lebih banyak muatan, maka energi interaksinya harus dihitung sebagai berikut: membagi sistem muatan menjadi semua pasangan yang mungkin, menghitung energi interaksi setiap pasangan dan menjumlahkan semua energi untuk semua pasangan.

    Masalah pada topik ini diselesaikan, seperti masalah hukum kekekalan energi mekanik: pertama, energi awal interaksi ditemukan, kemudian energi akhir. Jika soal meminta Anda mencari usaha yang dilakukan untuk memindahkan muatan, maka besarnya sama dengan selisih antara energi total awal dan energi akhir interaksi muatan. Energi interaksi juga dapat diubah menjadi energi kinetik atau jenis energi lainnya. Jika benda berada pada jarak yang sangat jauh, maka energi interaksinya diasumsikan sama dengan 0.

    Perlu diperhatikan: jika soal memerlukan pencarian jarak minimum atau maksimum antar benda (partikel) ketika bergerak, maka kondisi ini akan terpenuhi pada saat partikel bergerak ke satu arah dengan kecepatan yang sama. Oleh karena itu, penyelesaiannya harus dimulai dengan menuliskan hukum kekekalan momentum, yang darinya diperoleh kecepatan yang sama. Dan kemudian kita harus menulis hukum kekekalan energi, dengan mempertimbangkan energi kinetik partikel dalam kasus kedua.

    Potensi. Perbedaan potensial. Tegangan

    Medan elektrostatis mempunyai sifat yang penting: kerja gaya-gaya medan elektrostatis ketika memindahkan muatan dari satu titik medan ke titik lain tidak bergantung pada bentuk lintasan, tetapi hanya ditentukan oleh posisi titik awal dan titik akhir. dan besarnya muatan.

    Konsekuensi dari independensi kerja dari bentuk lintasan adalah pernyataan berikut: kerja gaya medan elektrostatis ketika muatan bergerak sepanjang lintasan tertutup sama dengan nol.

    Sifat potensial (ketergantungan kerja pada bentuk lintasan) medan elektrostatik memungkinkan kita untuk memperkenalkan konsep energi potensial suatu muatan dalam medan listrik. Dan besaran fisis yang sama dengan perbandingan energi potensial suatu muatan listrik dalam medan elektrostatis dengan besar muatan tersebut disebut potensi φ Medan listrik:

    Potensi φ adalah karakteristik energi medan elektrostatis. Dalam Satuan Sistem Internasional (SI), satuan potensial (dan beda potensial, yaitu tegangan) adalah volt [V]. Potensi adalah besaran skalar.

    Dalam banyak soal elektrostatika, saat menghitung potensial, akan lebih mudah untuk mengambil titik tak terhingga sebagai titik acuan di mana nilai energi potensial dan potensial hilang. Dalam hal ini, konsep potensial dapat didefinisikan sebagai berikut: potensial medan pada suatu titik tertentu dalam ruang sama dengan usaha yang dilakukan oleh gaya-gaya listrik ketika sebuah muatan positif tunggal dipindahkan dari suatu titik tertentu hingga tak terhingga.

    Mengingat rumus energi potensial interaksi dua muatan titik dan membaginya dengan nilai salah satu muatan sesuai dengan definisi potensial, diperoleh bahwa potensi φ bidang biaya titik Q pada jarak R darinya relatif terhadap suatu titik di tak terhingga dihitung sebagai berikut:

    Potensial yang dihitung menggunakan rumus ini bisa positif atau negatif tergantung pada tanda muatan yang menimbulkannya. Rumus yang sama menyatakan potensial medan bola (atau bola) bermuatan seragam di R ≥ R(di luar bola atau bola), dimana R adalah jari-jari bola, dan jarak R diukur dari titik tengah bola.

    Untuk mewakili medan listrik secara visual, bersama dengan garis-garis medan, gunakan permukaan ekuipotensial. Permukaan di semua titik yang potensial medan listriknya mempunyai nilai yang sama disebut permukaan ekuipotensial atau permukaan yang potensialnya sama. Garis medan listrik selalu tegak lurus terhadap permukaan ekuipotensial. Permukaan ekuipotensial medan Coulomb suatu muatan titik adalah bola konsentris.

    Listrik tegangan itu hanya perbedaan potensial, mis. Pengertian tegangan listrik dapat diberikan dengan rumus:

    Dalam medan listrik seragam terdapat hubungan antara kuat medan dan tegangan:

    Pekerjaan medan listrik dapat dihitung sebagai selisih antara energi potensial awal dan akhir suatu sistem muatan:

    Kerja medan listrik secara umum juga dapat dihitung dengan menggunakan salah satu rumus:

    Dalam medan seragam, ketika suatu muatan bergerak sepanjang garis medannya, kerja medan juga dapat dihitung dengan menggunakan rumus berikut:

    Dalam rumus ini:

    • φ – potensial medan listrik.
    • ∆φ - perbedaan potensial.
    • W– energi potensial suatu muatan dalam medan listrik eksternal.
    • A– kerja medan listrik untuk memindahkan muatan (muatan).
    • Q– muatan yang bergerak dalam medan listrik luar.
    • kamu- tegangan.
    • E– kekuatan medan listrik.
    • D atau ∆ aku– jarak perpindahan muatan sepanjang garis gaya.

    Dalam semua rumus sebelumnya kita berbicara secara khusus tentang kerja medan elektrostatis, tetapi jika soal mengatakan bahwa “usaha harus dilakukan”, atau kita berbicara tentang “usaha gaya luar”, maka usaha ini harus dipertimbangkan dalam sama dengan pekerjaan di lapangan, tetapi berlawanan tanda.

    Prinsip superposisi potensial

    Dari prinsip superposisi kuat medan yang ditimbulkan oleh muatan listrik, berikut prinsip superposisi potensial (dalam hal ini tanda potensial medan bergantung pada tanda muatan yang menimbulkan medan):

    Perhatikan betapa lebih mudahnya menerapkan prinsip superposisi potensial daripada tegangan. Potensial merupakan besaran skalar yang tidak mempunyai arah. Menambah potensi hanyalah menjumlahkan nilai numerik.

    Kapasitas listrik. Kapasitor datar

    Saat memberikan muatan ke suatu konduktor, selalu ada batas tertentu yang di luar itu tidak mungkin untuk mengisi daya pada benda. Untuk mengkarakterisasi kemampuan suatu benda dalam mengakumulasi muatan listrik, konsep tersebut diperkenalkan kapasitansi listrik. Kapasitansi suatu konduktor terisolasi adalah rasio muatan terhadap potensial:

    Dalam sistem SI, kapasitansi diukur dalam Farad [F]. 1 Farad adalah kapasitansi yang sangat besar. Sebagai perbandingan, kapasitansi seluruh bumi kurang dari satu farad. Kapasitansi suatu konduktor tidak bergantung pada muatannya maupun potensial bendanya. Demikian pula, massa jenis tidak bergantung pada massa atau volume benda. Kapasitas hanya bergantung pada bentuk tubuh, ukurannya dan sifat-sifat lingkungannya.

    Kapasitas listrik sistem dua konduktor adalah besaran fisis yang didefinisikan sebagai rasio muatan Q salah satu konduktor beda potensial Δ φ diantara mereka:

    Besarnya kapasitansi listrik suatu konduktor bergantung pada bentuk dan ukuran konduktor serta sifat dielektrik yang memisahkan konduktor. Ada konfigurasi konduktor di mana medan listrik terkonsentrasi (terlokalisasi) hanya di wilayah ruang tertentu. Sistem seperti ini disebut kapasitor, dan konduktor yang membentuk kapasitor disebut lapisan.

    Kapasitor paling sederhana adalah sistem dua pelat penghantar datar yang terletak sejajar satu sama lain pada jarak kecil dibandingkan dengan ukuran pelat dan dipisahkan oleh lapisan dielektrik. Kapasitor seperti ini disebut datar. Medan listrik kapasitor pelat sejajar terutama terletak di antara pelat.

    Masing-masing pelat kapasitor datar yang bermuatan menciptakan medan listrik di dekat permukaannya, yang modulusnya dinyatakan oleh hubungan yang telah diberikan di atas. Maka modulus kuat medan akhir di dalam kapasitor yang diciptakan oleh kedua pelat adalah sama dengan:

    Di luar kapasitor, medan listrik kedua pelat diarahkan ke arah yang berbeda, dan karenanya timbul medan elektrostatis E= 0. dapat dihitung dengan rumus :

    Dengan demikian, kapasitas listrik suatu kapasitor datar berbanding lurus dengan luas pelat (pelat) dan berbanding terbalik dengan jarak antar pelat. Jika ruang antara pelat diisi dengan dielektrik, kapasitansi kapasitor bertambah sebesar ε sekali. perhatikan itu S pada rumus ini luas satu pelat kapasitornya saja. Ketika mereka berbicara tentang "area pelapisan" dalam suatu masalah, yang mereka maksud adalah nilai ini. Anda tidak perlu mengalikan atau membaginya dengan 2.

    Sekali lagi kami sajikan rumusnya muatan kapasitor. Muatan kapasitor hanya dipahami sebagai muatan pada pelat positifnya:

    Gaya tarik menarik antar pelat kapasitor. Gaya yang bekerja pada masing-masing pelat ditentukan bukan oleh medan total kapasitor, namun oleh medan yang diciptakan oleh pelat yang berlawanan (pelat tidak bekerja pada dirinya sendiri). Kekuatan medan ini sama dengan setengah kekuatan medan total, dan gaya interaksi antar pelat adalah:

    Energi kapasitor. Disebut juga energi medan listrik di dalam kapasitor. Pengalaman menunjukkan bahwa kapasitor bermuatan mengandung cadangan energi. Energi kapasitor bermuatan sama dengan kerja gaya luar yang harus dikeluarkan untuk mengisi kapasitor. Ada tiga bentuk penulisan persamaan energi kapasitor (satu sama lain mengikuti jika kita menggunakan relasinya Q = C.U.):

    Berikan perhatian khusus pada frasa: “Kapasitor terhubung ke sumber.” Artinya tegangan pada kapasitor tidak berubah. Dan kalimat “Kapasitor telah terisi dan terputus dari sumbernya” berarti muatan kapasitor tidak akan berubah.

    Energi medan listrik

    Energi listrik harus dianggap sebagai energi potensial yang disimpan dalam kapasitor bermuatan. Menurut konsep modern, energi listrik suatu kapasitor terletak di ruang antara pelat-pelat kapasitor, yaitu dalam medan listrik. Oleh karena itu disebut energi medan listrik. Energi benda bermuatan terkonsentrasi di ruang yang terdapat medan listrik, yaitu. kita dapat berbicara tentang energi medan listrik. Misalnya, energi kapasitor terkonsentrasi di ruang antara pelat-pelatnya. Oleh karena itu, masuk akal untuk memperkenalkan karakteristik fisik baru - kerapatan energi volumetrik medan listrik. Dengan menggunakan contoh kapasitor datar, kita dapat memperoleh rumus kerapatan energi volumetrik (atau energi per satuan volume medan listrik) berikut:

    Koneksi kapasitor

    Koneksi paralel kapasitor– untuk meningkatkan kapasitas. Kapasitor dihubungkan oleh pelat bermuatan serupa, seolah-olah menambah luas pelat bermuatan sama. Tegangan pada semua kapasitor sama, muatan total sama dengan jumlah muatan masing-masing kapasitor, dan kapasitansi total juga sama dengan jumlah kapasitansi semua kapasitor yang dihubungkan secara paralel. Mari kita tuliskan rumus hubungan paralel kapasitor:

    Pada sambungan seri kapasitor kapasitas total bank kapasitor selalu lebih kecil dari kapasitas kapasitor terkecil yang disertakan dalam baterai. Sambungan seri digunakan untuk meningkatkan tegangan rusaknya kapasitor. Mari kita tuliskan rumus menghubungkan kapasitor secara seri. Kapasitansi total kapasitor yang dihubungkan seri ditemukan dari hubungan:

    Dari hukum kekekalan muatan dapat disimpulkan bahwa muatan-muatan pada pelat-pelat yang berdekatan adalah sama:

    Tegangan sama dengan jumlah tegangan pada masing-masing kapasitor.

    Untuk dua kapasitor yang dihubungkan secara seri, rumus di atas akan memberikan kita ekspresi kapasitansi total berikut:

    Untuk N kapasitor terhubung seri identik:

    Bola konduktif

    Kuat medan di dalam konduktor bermuatan adalah nol. Jika tidak, gaya listrik akan bekerja pada muatan bebas di dalam konduktor, yang akan memaksa muatan tersebut bergerak di dalam konduktor. Pergerakan ini, pada gilirannya, akan menyebabkan pemanasan pada konduktor bermuatan, yang sebenarnya tidak terjadi.

    Fakta bahwa tidak ada medan listrik di dalam konduktor dapat dipahami dengan cara lain: jika ada, maka partikel bermuatan akan bergerak lagi, dan mereka akan bergerak sedemikian rupa sehingga mengurangi medan ini menjadi nol dengan sendirinya. lapangan, karena nyatanya, mereka tidak mau pindah, karena setiap sistem mengupayakan keseimbangan. Cepat atau lambat, semua muatan yang bergerak akan berhenti tepat di tempat tersebut sehingga medan di dalam konduktor menjadi nol.

    Pada permukaan konduktor kuat medan listriknya maksimum. Besarnya kuat medan listrik suatu bola bermuatan di luar batasnya berkurang seiring dengan bertambahnya jarak dari penghantar dan dihitung dengan menggunakan rumus yang mirip dengan rumus kuat medan muatan titik, dimana jarak diukur dari pusat bola. .

    Karena kuat medan di dalam konduktor bermuatan adalah nol, potensial di semua titik di dalam dan di permukaan konduktor adalah sama (hanya dalam kasus ini beda potensial, dan karenanya tegangan, adalah nol). Potensial di dalam bola bermuatan sama dengan potensial di permukaan. Potensial di luar bola dihitung dengan menggunakan rumus yang mirip dengan rumus potensial muatan titik, yaitu jarak diukur dari pusat bola.

    Radius R:

    Jika bola dikelilingi oleh dielektrik, maka:

    Sifat-sifat konduktor dalam medan listrik

    1. Di dalam konduktor, kuat medan selalu nol.
    2. Potensial di dalam penghantar adalah sama di semua titik dan sama dengan potensial permukaan penghantar. Ketika mereka mengatakan dalam suatu soal bahwa "konduktor bermuatan potensial ... V", yang mereka maksud adalah potensial permukaan.
    3. Di luar konduktor dekat permukaannya, kuat medan selalu tegak lurus permukaan.
    4. Jika suatu muatan diberikan kepada suatu konduktor, maka semuanya akan terdistribusi pada lapisan yang sangat tipis di dekat permukaan konduktor (biasanya dikatakan bahwa seluruh muatan konduktor didistribusikan pada permukaannya). Hal ini mudah dijelaskan: faktanya adalah ketika kita memberikan muatan ke suatu benda, kita mentransfer pembawa muatan dengan tanda yang sama ke benda tersebut, yaitu. seperti muatan yang saling tolak menolak. Artinya mereka akan berusaha lari satu sama lain sejauh mungkin, yaitu. terakumulasi di bagian paling tepi konduktor. Akibatnya, jika inti dikeluarkan dari suatu konduktor, sifat elektrostatisnya tidak akan berubah sama sekali.
    5. Di luar konduktor, semakin melengkung permukaan konduktor maka kuat medannya semakin besar. Nilai tegangan maksimum dicapai di dekat tepi dan retakan tajam pada permukaan konduktor.

    Catatan tentang pemecahan masalah yang kompleks

    1. Pembumian sesuatu berarti hubungan konduktor benda ini dengan Bumi. Dalam hal ini, potensi Bumi dan benda yang ada disamakan, dan muatan yang diperlukan untuk ini berpindah sepanjang konduktor dari Bumi ke benda atau sebaliknya. Dalam hal ini, perlu mempertimbangkan beberapa faktor yang muncul dari fakta bahwa Bumi jauh lebih besar daripada benda apa pun yang terletak di atasnya:

    • Muatan total Bumi secara konvensional adalah nol, sehingga potensialnya juga nol, dan akan tetap nol setelah benda tersebut terhubung dengan Bumi. Singkatnya, to ground berarti mengatur ulang potensi suatu benda.
    • Untuk mengatur ulang potensinya (dan juga muatan benda itu sendiri, yang sebelumnya bisa positif atau negatif), benda tersebut harus menerima atau memberikan sejumlah muatan (bahkan mungkin sangat besar) kepada Bumi, dan Bumi akan selalu dapat memberikan kemungkinan ini.

    2. Mari kita ulangi sekali lagi: jarak antara benda-benda yang tolak-menolak menjadi minimal pada saat kecepatannya menjadi sama besarnya dan diarahkan ke arah yang sama (kecepatan relatif muatan adalah nol). Pada saat ini energi potensial interaksi muatan berada pada titik maksimum. Jarak antara benda-benda yang saling tarik menarik adalah maksimum, juga pada saat persamaan kecepatan diarahkan ke satu arah.

    3. Jika soal tersebut menyangkut suatu sistem yang terdiri dari sejumlah besar muatan, maka perlu diperhatikan dan dijelaskan gaya-gaya yang bekerja pada suatu muatan yang tidak terletak pada pusat simetri.

  • Pelajari semua rumus dan hukum dalam fisika, serta rumus dan metode dalam matematika. Faktanya, hal ini juga sangat mudah dilakukan; hanya ada sekitar 200 rumus yang diperlukan dalam fisika, dan bahkan lebih sedikit lagi dalam matematika. Dalam masing-masing mata pelajaran ini terdapat sekitar selusin metode standar untuk memecahkan masalah tingkat kompleksitas dasar, yang juga dapat dipelajari, dan dengan demikian, sepenuhnya otomatis dan tanpa kesulitan menyelesaikan sebagian besar CT pada waktu yang tepat. Setelah ini, Anda hanya perlu memikirkan tugas yang paling sulit.
  • Hadiri ketiga tahap tes latihan fisika dan matematika. Setiap RT dapat dikunjungi dua kali untuk memutuskan kedua pilihan tersebut. Sekali lagi, pada CT, selain kemampuan menyelesaikan masalah dengan cepat dan efisien, serta pengetahuan tentang rumus dan metode, Anda juga harus mampu merencanakan waktu dengan baik, mendistribusikan tenaga, dan yang terpenting, mengisi formulir jawaban dengan benar, tanpa membingungkan nomor jawaban dan soal, atau nama belakang Anda sendiri. Selain itu, selama RT, penting untuk membiasakan diri dengan gaya mengajukan pertanyaan dalam suatu masalah, yang mungkin tampak sangat tidak biasa bagi orang yang tidak siap di DT.

    • Penerapan ketiga poin ini yang berhasil, rajin, dan bertanggung jawab akan memungkinkan Anda menunjukkan hasil yang sangat baik di CT, semaksimal kemampuan Anda.

    Menemukan kesalahan?

    Jika Anda merasa menemukan kesalahan dalam materi pelatihan, silakan tuliskan melalui email. Anda juga dapat melaporkan kesalahan di jejaring sosial (). Dalam surat tersebut sebutkan mata pelajaran (fisika atau matematika), nama atau nomor topik atau ujian, nomor soal, atau tempat dalam teks (halaman) yang menurut Anda terdapat kesalahan. Jelaskan juga apa dugaan kesalahannya. Surat Anda tidak akan luput dari perhatian, kesalahannya akan diperbaiki, atau Anda akan dijelaskan mengapa itu bukan kesalahan.

    ... Semua prediksi elektrostatika mengikuti dua hukumnya.
    Namun mengungkapkan hal-hal ini secara matematis adalah satu hal, dan hal lain lagi
    terapkan dengan mudah dan dengan jumlah kecerdasan yang tepat.
    Richard Feynman

    Elektrostatika mempelajari interaksi muatan stasioner. Eksperimen penting dalam elektrostatika dilakukan pada abad ke-17 dan ke-18. Dengan ditemukannya fenomena elektromagnetik dan revolusi teknologi yang dihasilkannya, minat terhadap elektrostatika hilang untuk beberapa waktu. Namun, penelitian ilmiah modern menunjukkan betapa pentingnya elektrostatika untuk memahami banyak proses di alam hidup dan mati.

    Elektrostatika dan kehidupan

    Pada tahun 1953, ilmuwan Amerika S. Miller dan G. Urey menunjukkan bahwa salah satu "bahan penyusun kehidupan" - asam amino - dapat diperoleh dengan melewatkan pelepasan listrik melalui gas yang komposisinya mirip dengan atmosfer primitif bumi, yang terdiri dari metana, amonia, hidrogen dan uap air. Selama 50 tahun berikutnya, peneliti lain mengulangi percobaan ini dan memperoleh hasil yang sama. Ketika pulsa arus pendek dilewatkan melalui bakteri, pori-pori muncul di cangkangnya (membran), yang melaluinya fragmen DNA bakteri lain dapat masuk, sehingga memicu salah satu mekanisme evolusi. Jadi, energi yang diperlukan untuk asal mula kehidupan di Bumi dan evolusinya memang bisa berupa energi elektrostatis dari pelepasan petir (Gbr. 1).

    Bagaimana elektrostatika menyebabkan petir

    Pada waktu tertentu, sekitar 2.000 petir menyambar di berbagai titik di bumi, sekitar 50 petir menyambar bumi setiap detiknya, dan setiap kilometer persegi permukaan bumi disambar petir rata-rata enam kali dalam setahun. Pada abad ke-18, Benjamin Franklin membuktikan bahwa petir yang menyambar dari awan petir adalah muatan listrik yang dibawanya negatif mengenakan biaya. Selain itu, setiap pelepasan memasok bumi dengan beberapa puluh coulomb listrik, dan amplitudo arus selama sambaran petir berkisar antara 20 hingga 100 kiloamper. Fotografi berkecepatan tinggi menunjukkan bahwa sambaran petir hanya berlangsung sepersepuluh detik dan setiap kilat terdiri dari beberapa sambaran petir yang lebih pendek.

    Dengan menggunakan alat ukur yang dipasang pada wahana atmosfer, pada awal abad ke-20, medan listrik bumi diukur, yang kekuatannya di permukaan kira-kira 100 V/m, yang setara dengan muatan total planet sebesar sekitar 400.000C. Pembawa muatan di atmosfer bumi adalah ion, yang konsentrasinya meningkat seiring ketinggian dan mencapai maksimum pada ketinggian 50 km, di mana lapisan penghantar listrik - ionosfer - telah terbentuk di bawah pengaruh radiasi kosmik. Oleh karena itu, kita dapat mengatakan bahwa medan listrik bumi adalah medan kapasitor berbentuk bola dengan tegangan yang diberikan sekitar 400 kV. Di bawah pengaruh tegangan ini, arus sebesar 2–4 kA mengalir sepanjang waktu dari lapisan atas ke lapisan bawah, yang kepadatannya adalah (1–2) 10 –12 A/m 2, dan energi dilepaskan ke atas. menjadi 1,5 GW. Dan jika tidak ada petir, medan listrik ini akan hilang! Ternyata saat cuaca bagus, kapasitor listrik bumi akan habis, dan saat terjadi badai petir, kapasitor tersebut akan terisi dayanya.

    Awan petir adalah sejumlah besar uap, beberapa di antaranya telah mengembun menjadi tetesan kecil atau gumpalan es yang terapung. Bagian atas awan petir dapat berada pada ketinggian 6–7 km, dan bagian bawahnya dapat menggantung di atas permukaan tanah pada ketinggian 0,5–1 km. Di atas 3–4 km, awan terdiri dari gumpalan es yang terapung dengan berbagai ukuran, karena suhu di sana selalu di bawah nol. Potongan-potongan es ini terus bergerak, disebabkan oleh naiknya arus udara hangat yang naik dari bawah permukaan bumi yang panas. Potongan-potongan es kecil lebih ringan daripada potongan-potongan besar, dan mereka terbawa oleh arus udara yang naik dan bertabrakan dengan potongan-potongan besar di sepanjang jalan. Dengan setiap tumbukan seperti itu, terjadi elektrifikasi, di mana bongkahan es besar bermuatan negatif, dan bongkahan es kecil bermuatan positif. Seiring waktu, bongkahan es kecil bermuatan positif berkumpul terutama di bagian atas awan, dan bongkahan es besar bermuatan negatif berkumpul di bagian bawah (Gbr. 2). Dengan kata lain, bagian atas awan bermuatan positif dan bagian bawah bermuatan negatif. Dalam hal ini, muatan positif diinduksikan pada tanah tepat di bawah awan petir. Sekarang semuanya siap untuk pelepasan petir, di mana terjadi kerusakan udara dan muatan negatif dari dasar awan petir mengalir ke Bumi.

    Biasanya sebelum terjadinya badai petir, kekuatan medan listrik bumi dapat mencapai 100 kV/m, yaitu 1000 kali lebih tinggi daripada nilainya pada cuaca baik. Akibatnya, muatan positif setiap rambut di kepala seseorang yang berdiri di bawah awan petir meningkat dengan jumlah yang sama, dan mereka, saling mendorong, berdiri tegak (Gbr. 3).

    Fulgurite - jejak petir di tanah

    Selama pelepasan petir, energi dilepaskan sekitar 10 9 –10 10 J. Sebagian besar energi ini dihabiskan untuk guntur, pemanasan udara, kilatan cahaya, dan emisi gelombang elektromagnetik lainnya, dan hanya sebagian kecil yang dilepaskan. di tempat petir masuk ke dalam tanah. Namun bagian “kecil” ini pun sudah cukup untuk menyebabkan kebakaran, membunuh seseorang, atau menghancurkan sebuah bangunan. Petir dapat memanaskan saluran yang dilaluinya hingga 30.000°C, yang jauh lebih tinggi daripada titik leleh pasir (1600–2000°C). Oleh karena itu, petir, menyambar pasir, melelehkannya, dan udara panas serta uap air, mengembang, membentuk tabung dari pasir cair, yang setelah beberapa waktu mengeras. Beginilah asal mula fulgurites (panah petir, jari iblis) - silinder berongga yang terbuat dari pasir leleh (Gbr. 4). Fulgurit yang paling lama digali berada di bawah tanah hingga kedalaman lebih dari lima meter.

    Bagaimana elektrostatika melindungi dari petir

    Untungnya, sebagian besar sambaran petir terjadi di antara awan sehingga tidak menimbulkan ancaman bagi kesehatan manusia. Namun, petir diyakini membunuh lebih dari seribu orang di seluruh dunia setiap tahunnya. Setidaknya di Amerika Serikat, tempat statistik tersebut disimpan, sekitar seribu orang menderita sambaran petir setiap tahun dan lebih dari seratus di antaranya meninggal. Para ilmuwan telah lama berupaya melindungi manusia dari “hukuman Tuhan” ini. Misalnya, penemu kapasitor listrik pertama (Leyden jar), Pieter van Muschenbrouck, dalam sebuah artikel tentang listrik yang ditulis untuk Ensiklopedia Prancis yang terkenal, membela metode tradisional untuk mencegah petir - membunyikan bel dan menembakkan meriam, yang menurutnya cukup efektif. .

    Pada tahun 1750, Franklin menemukan penangkal petir. Dalam upaya untuk melindungi gedung DPR Maryland dari sambaran petir, dia memasang batang besi tebal ke gedung tersebut, memanjang beberapa meter di atas kubah dan terhubung ke tanah. Ilmuwan tersebut menolak untuk mematenkan penemuannya, ingin agar penemuannya dapat mulai melayani masyarakat sesegera mungkin. Mekanisme kerja penangkal petir mudah dijelaskan jika kita mengingat bahwa kuat medan listrik di dekat permukaan konduktor bermuatan meningkat seiring dengan bertambahnya kelengkungan permukaan tersebut. Oleh karena itu, pada saat terjadi awan petir di dekat ujung penangkal petir, kuat medannya akan sangat tinggi sehingga menyebabkan ionisasi pada udara sekitar dan lucutan korona di dalamnya. Akibatnya, kemungkinan terjadinya sambaran petir terhadap penangkal petir akan meningkat secara signifikan. Dengan demikian, pengetahuan tentang elektrostatika tidak hanya memungkinkan untuk menjelaskan asal mula petir, tetapi juga menemukan cara untuk melindunginya.

    Berita tentang penangkal petir Franklin dengan cepat menyebar ke seluruh Eropa, dan dia terpilih menjadi anggota semua akademi, termasuk akademi Rusia. Namun, di beberapa negara, penduduk yang taat menyambut penemuan ini dengan marah. Gagasan bahwa seseorang dapat dengan mudah dan sederhana menjinakkan senjata utama murka Tuhan tampaknya merupakan penghujatan. Oleh karena itu, di berbagai tempat orang, karena alasan saleh, mematahkan penangkal petir.

    Sebuah kejadian aneh terjadi pada tahun 1780 di sebuah kota kecil di Perancis utara, di mana penduduk kota menuntut agar tiang besi penangkal petir dibongkar dan masalah tersebut dibawa ke pengadilan. Pengacara muda, yang membela penangkal petir dari serangan kaum obskurantis, mendasarkan pembelaannya pada fakta bahwa pikiran manusia dan kemampuannya untuk menaklukkan kekuatan alam berasal dari ilahi. Segala sesuatu yang membantu menyelamatkan nyawa adalah demi kebaikan, bantah pengacara muda itu. Dia memenangkan kasus ini dan mendapatkan ketenaran yang luar biasa. Nama pengacaranya adalah... Maximilian Robespierre.

    Nah, kini potret penemu penangkal petir itu menjadi reproduksi yang paling diidamkan di dunia, karena menghiasi uang kertas seratus dolar yang terkenal itu.

    Elektrostatika yang menghidupkan kembali

    Energi dari pelepasan kapasitor tidak hanya menyebabkan munculnya kehidupan di Bumi, tetapi juga dapat memulihkan kehidupan bagi orang-orang yang sel-sel jantungnya berhenti berdetak secara serempak. Kontraksi sel jantung yang tidak sinkron (kacau) disebut fibrilasi. Fibrilasi jantung dapat dihentikan dengan melewatkan arus pendek melalui seluruh selnya. Untuk melakukan ini, dua elektroda dipasang ke dada pasien, yang melaluinya pulsa dilewatkan dengan durasi sekitar sepuluh milidetik dan amplitudo hingga beberapa puluh ampere. Dalam hal ini, pelepasan energi melalui dada dapat mencapai 400 J (sama dengan energi potensial satu pon beban yang diangkat ke ketinggian 2,5 m). Alat yang memberikan sengatan listrik untuk menghentikan fibrilasi jantung disebut defibrilator. Defibrilator yang paling sederhana adalah rangkaian osilasi yang terdiri dari kapasitor dengan kapasitas 20 μF dan kumparan dengan induktansi 0,4 H. Dengan mengisi kapasitor ke tegangan 1–6 kV dan mengalirkannya melalui kumparan dan pasien, yang resistansinya sekitar 50 ohm, Anda dapat memperoleh pulsa arus yang diperlukan untuk menghidupkan kembali pasien.

    Elektrostatik memberi cahaya

    Lampu neon dapat berfungsi sebagai indikator kuat medan listrik. Untuk memastikannya, saat berada di ruangan gelap, gosok lampu dengan handuk atau syal - akibatnya, permukaan luar kaca lampu akan bermuatan positif, dan kain akan bermuatan negatif. Segera setelah ini terjadi, kita akan melihat kilatan cahaya muncul di tempat-tempat lampu yang kita sentuh dengan kain bermuatan. Pengukuran menunjukkan bahwa kuat medan listrik di dalam lampu neon yang berfungsi adalah sekitar 10 V/m. Pada intensitas ini, elektron bebas mempunyai energi yang diperlukan untuk mengionisasi atom merkuri di dalam lampu neon.

    Medan listrik di bawah saluran listrik tegangan tinggi – saluran listrik – dapat mencapai nilai yang sangat tinggi. Oleh karena itu, jika pada malam hari lampu neon ditancapkan ke tanah di bawah kabel listrik, maka akan menyala cukup terang (Gbr. 5). Jadi, dengan menggunakan energi medan elektrostatis, Anda dapat menerangi ruang di bawah kabel listrik.

    Bagaimana elektrostatika memperingatkan kebakaran dan membuat asap lebih bersih

    Dalam kebanyakan kasus, ketika memilih jenis detektor alarm kebakaran, preferensi diberikan pada detektor asap, karena kebakaran biasanya disertai dengan keluarnya asap dalam jumlah besar dan jenis detektor inilah yang mampu memperingatkan orang-orang di dalam. bangunan tentang bahayanya. Detektor asap menggunakan prinsip ionisasi atau fotolistrik untuk mendeteksi asap di udara.

    Detektor asap ionisasi mengandung sumber radiasi α (biasanya americium-241) yang mengionisasi udara di antara pelat elektroda logam, hambatan listrik di antaranya diukur secara konstan menggunakan sirkuit khusus. Ion-ion yang terbentuk sebagai hasil radiasi α memberikan konduktivitas antar elektroda, dan mikropartikel asap yang muncul di sana mengikat ion-ion tersebut, menetralkan muatannya dan dengan demikian meningkatkan resistansi antar elektroda, yang mana rangkaian listrik bereaksi dengan membunyikan alarm. . Sensor berdasarkan prinsip ini menunjukkan sensitivitas yang sangat mengesankan, bereaksi bahkan sebelum tanda pertama adanya asap terdeteksi oleh makhluk hidup. Perlu diperhatikan bahwa sumber radiasi yang digunakan dalam sensor tidak menimbulkan bahaya apa pun bagi manusia, karena sinar alfa tidak dapat menembus selembar kertas sekalipun dan diserap seluruhnya oleh lapisan udara setebal beberapa sentimeter.

    Kemampuan partikel debu untuk menggemparkan banyak digunakan dalam pengumpul debu elektrostatis industri. Gas yang mengandung, misalnya, partikel jelaga, naik ke atas, melewati jaring logam bermuatan negatif, akibatnya partikel-partikel ini memperoleh muatan negatif. Terus naik ke atas, partikel-partikel tersebut menemukan diri mereka dalam medan listrik pelat bermuatan positif, tempat mereka tertarik, setelah itu partikel-partikel tersebut jatuh ke dalam wadah khusus, dari mana mereka dikeluarkan secara berkala.

    Bioelektrostatika

    Salah satu penyebab asma adalah produk limbah tungau debu (Gbr. 6) - serangga berukuran sekitar 0,5 mm yang hidup di rumah kita. Penelitian telah menunjukkan bahwa serangan asma disebabkan oleh salah satu protein yang dikeluarkan serangga ini. Struktur protein ini menyerupai tapal kuda, yang kedua ujungnya bermuatan positif. Gaya tolak elektrostatik antara ujung-ujung protein berbentuk tapal kuda membuat strukturnya stabil. Namun, sifat suatu protein dapat diubah dengan menetralkan muatan positifnya. Hal ini dapat dilakukan dengan meningkatkan konsentrasi ion negatif di udara menggunakan alat ionisasi apa pun, misalnya lampu gantung Chizhevsky (Gbr. 7). Pada saat yang sama, frekuensi serangan asma menurun.

    Elektrostatika membantu tidak hanya menetralkan protein yang dikeluarkan oleh serangga, tetapi juga menangkapnya sendiri. Telah dikatakan bahwa rambut “berdiri tegak” jika diisi. Anda dapat membayangkan apa yang dialami serangga ketika mereka mendapati dirinya bermuatan listrik. Bulu-bulu tertipis di kaki mereka menyimpang ke arah yang berbeda, dan serangga kehilangan kemampuan untuk bergerak. Perangkap kecoa yang ditunjukkan pada Gambar 8 didasarkan pada prinsip ini.Kecoa tertarik pada bubuk manis yang sebelumnya bermuatan elektrostatis. Bedak (berwarna putih pada gambar) digunakan untuk menutupi permukaan miring di sekitar jebakan. Begitu sampai di bedak, serangga menjadi bermuatan dan berguling ke dalam perangkap.

    Apa itu agen antistatis?

    Pakaian, karpet, seprai, dan benda-benda lainnya terisi daya setelah bersentuhan dengan benda lain, dan terkadang hanya dengan pancaran udara. Dalam kehidupan sehari-hari dan di tempat kerja, muatan yang dihasilkan dengan cara ini sering disebut listrik statis.

    Dalam kondisi atmosfer normal, serat alami (kapas, wol, sutra, dan viscose) menyerap kelembapan dengan baik (hidrofilik) sehingga sedikit menghantarkan listrik. Ketika serat tersebut bersentuhan atau bergesekan dengan bahan lain, muatan listrik berlebih muncul di permukaannya, namun dalam waktu yang sangat singkat, karena muatan tersebut segera mengalir kembali melalui serat basah pada kain yang mengandung berbagai ion.

    Berbeda dengan serat alami, serat sintetis (poliester, akrilik, polipropilen) tidak menyerap kelembapan dengan baik (hidrofobik), dan ion bergerak pada permukaannya lebih sedikit. Ketika bahan sintetis bersentuhan satu sama lain, bahan tersebut akan bermuatan berlawanan, tetapi karena muatan ini terkuras sangat lambat, bahan tersebut akan menempel satu sama lain, sehingga menimbulkan ketidaknyamanan dan ketidaknyamanan. Ngomong-ngomong, struktur rambut sangat mirip dengan serat sintetis dan juga bersifat hidrofobik, sehingga ketika bersentuhan, misalnya dengan sisir, rambut akan bermuatan listrik dan mulai saling tolak-menolak.

    Untuk menghilangkan listrik statis, permukaan pakaian atau benda lain dapat dilumasi dengan bahan yang dapat mempertahankan kelembapan sehingga meningkatkan konsentrasi ion bergerak di permukaan. Setelah perlakuan tersebut, muatan listrik yang dihasilkan akan cepat hilang dari permukaan benda atau tersebar di atasnya. Hidrofilisitas suatu permukaan dapat ditingkatkan dengan melumasinya dengan surfaktan, yang molekulnya mirip dengan molekul sabun - satu bagian dari molekul yang sangat panjang bermuatan, dan bagian lainnya tidak. Zat yang mencegah munculnya listrik statis disebut zat antistatis. Misalnya, debu atau jelaga batu bara biasa merupakan zat antistatis, oleh karena itu, untuk menghilangkan listrik statis, bahan yang disebut lampu hitam dimasukkan dalam impregnasi bahan karpet dan pelapis. Untuk tujuan yang sama, hingga 3% serat alami dan terkadang benang logam tipis ditambahkan ke bahan tersebut.

    Konsep dasar elektrostatika dan perkembangan doktrin elektrostatika

    Mari kita definisikan elektrostatika

    Elektrostatika adalah salah satu cabang ilmu fisika yang mempelajari interaksi benda-benda bermuatan listrik yang diam 1.

    Jadi, kedepannya kita akan membahas tentang muatan stasioner.

    Tidak ada definisi yang jelas tentang biaya. Sebutan ini memiliki tiga arti:

    Elektrostatika sebagai ilmu berawal dari karya Coulomb. Ia merumuskan hukum interaksi muatan listrik, pola distribusi muatan listrik pada permukaan konduktor, konsep dan polarisasi muatan (dua yang terakhir akan saya bahas nanti).

    Hukum interaksi muatan listrik disebut “Hukum Coulomb”. Itu dirumuskan pada tahun 1785 dan berbunyi:

    “Gaya interaksi antara dua titik benda bermuatan stasioner dalam ruang hampa diarahkan sepanjang garis lurus yang menghubungkan muatan-muatan tersebut, berbanding lurus dengan hasil kali modulus muatan dan berbanding terbalik dengan kuadrat jarak antara keduanya.” 3

    Undang-undang ini berlaku untuk biaya-biaya yang:

    A) adalah poin material

    B) tidak bergerak

    B) berada dalam ruang hampa

    Dalam bentuk vektor, hukumnya ditulis sebagai berikut:

    Itu dibuka sebagai berikut:

    “Penemuan hukum interaksi muatan listrik difasilitasi oleh fakta bahwa gaya-gaya ini ternyata sangat besar. Tidak perlu menggunakan peralatan yang sangat sensitif... Dengan menggunakan perangkat yang cukup sederhana - keseimbangan torsi - dimungkinkan untuk mengetahui bagaimana bola bermuatan kecil berinteraksi satu sama lain.

    Neraca torsi Coulomb terdiri dari batang kaca yang digantungkan pada kawat elastis tipis.

    dihitung pada skala yang lebih rendah.

    Dalam salah satu percobaan Coulomb, sudut ini sama dengan φ 1 =36 0. Kemudian liontin menyatukan bola-bola tersebut membentuk sudut φ 2 =18 0, memutar batang searah jarum jam (panah merah). Untuk melakukan ini, batang harus diputar dengan sudut α=126 0, dihitung pada skala atas. Sudut β yang dilalui benang dipuntir menjadi sama dengan β= α+φ 2 =144 0. Nilai sudut ini 4 kali lebih besar dari nilai awal sudut puntiran φ 1 =36 0. Dalam hal ini, jarak antar bola berubah dari nilainya R 1 pada sudut φ 1 terhadap nilai R 2 pada sudut φ 2. jika lengan ayunnya sama D, Itu
    Dan
    .

    Dari sini

    Akibatnya, ketika jarak dikurangi 2 kali lipat, sudut puntir kawat bertambah 4 kali lipat. Momen gaya meningkat dengan jumlah yang sama, karena selama deformasi puntir, momen gaya berbanding lurus dengan sudut puntir, dan oleh karena itu gaya (lengan gaya tetap tidak berubah). Hal ini mengarah pada kesimpulan utama: gaya interaksi antara dua bola bermuatan berbanding terbalik dengan kuadrat jarak antara keduanya:

    Untuk menentukan ketergantungan gaya pada muatan bola, Coulomb menemukan cara sederhana dan cerdik untuk mengubah muatan salah satu bola. (Coulomb tidak dapat mengukur muatan secara langsung. Satuan muatan belum ditentukan pada saat itu.)

    Untuk melakukan ini, ia menghubungkan bola bermuatan dengan bola yang sama-sama tidak bermuatan. Muatan didistribusikan secara merata di antara bola-bola, sehingga muatan berkurang 2, 4, dan seterusnya. Nilai gaya baru pada nilai muatan baru kembali ditentukan secara eksperimental. Ternyata gaya berbanding lurus dengan hasil kali muatan bola: F~ Q 1 Q 2 » 5

    Hukum Coulomb adalah salah satu dari dua hukum dasar elektrostatika. Hukum lainnya adalah hukum kekekalan muatan listrik.

    “Hukum kekekalan muatan listrik menyatakan bahwa jumlah aljabar muatan-muatan suatu sistem tertutup secara elektrik adalah kekal” 6

    Hukum Coulomb berbicara tentang gaya interaksi antar muatan. Timbul pertanyaan tentang sifat interaksi ini. Ada dua sudut pandang dalam sejarah: aksi jarak dekat dan aksi jarak jauh. Inti dari teori pertama adalah bahwa interaksi antar benda yang terletak pada jarak tertentu dilakukan dengan menggunakan perantara (atau media). Dan teori kedua adalah interaksi terjadi secara langsung melalui kekosongan.

    Pergeseran ke arah teori aksi jarak pendek diprakarsai oleh ilmuwan besar Inggris Michael Faraday.

    Faraday percaya bahwa muatan tidak bekerja satu sama lain secara langsung, tetapi masing-masing muatan menciptakan medan listrik di ruang yang mengelilinginya.

    Namun Faraday tidak dapat menemukan bukti yang mendukung gagasannya. Semua alasannya hanya didasarkan pada keyakinannya bahwa satu tubuh tidak dapat bertindak atas tubuh lain melalui kekosongan.

    Teori ini mencapai kesuksesan setelah mempelajari interaksi elektromagnetik dari partikel bermuatan yang bergerak dan penemuan kemungkinan komunikasi radio. Komunikasi radio adalah komunikasi melalui interaksi elektromagnetik, karena gelombang radio adalah gelombang elektromagnetik. Dengan menggunakan contoh komunikasi radio, kita melihat bahwa medan elektromagnetik menampakkan dirinya sebagai sesuatu yang benar-benar ada. Sains tidak mengetahui terdiri dari apa bidang itu. Oleh karena itu, tidak mungkin memberikan definisi yang jelas tentang medan listrik. Namun kita tahu bahwa medan adalah material dan memiliki sejumlah sifat tertentu yang membuat kita tidak bingung membedakannya dengan benda lain. Sifat utama medan listrik adalah ia bekerja pada muatan listrik dengan gaya tertentu dan hanya dihasilkan oleh muatan listrik.

    Ciri kuantitatif medan listrik adalah kuat medan listrik.

    Kekuatan medan listrik ( E) adalah besaran fisika vektor yang mencirikan medan listrik pada suatu titik tertentu dan secara numerik sama dengan rasio gaya F bekerja pada muatan uji yang ditempatkan pada suatu titik tertentu di lapangan sebesar muatan tersebut Q 7:

    Prinsip superposisi medan dikaitkan dengan kuat medan listrik:

    Jika pada suatu titik tertentu dalam ruang berbagai muatan menimbulkan medan listrik yang intensitasnya sama
    dan seterusnya, maka kuat medan yang dihasilkan pada titik tersebut adalah:
    8

    Himpunan vektor tegangan dalam ruang dapat digambarkan dalam bentuk garis tegangan atau garis gaya. Garis tegangan adalah garis kontinu yang garis singgungnya pada setiap titik berimpit dengan arah vektor tegangan.

    Penting untuk diperhatikan bahwa garis medan elektrostatis tidak tertutup. Mereka mulai dengan muatan positif dan berakhir dengan muatan negatif.

    Ciri lain dari medan listrik adalah potensial. Besaran ini merupakan karakteristik energi medan. Untuk menjelaskan besaran ini, perlu diperkenalkan konsep lain: energi muatan potensial.

    Kerja gaya Coulomb tidak bergantung pada lintasan dan sepanjang lintasan tertutup sama dengan 0.
    , Di mana D-bergerak

    Mari kita analogikan dengan kerja gravitasi: A= mg(H 1 - H 2 )=- mgΔ H

    A = mgh 1 -mgh 2 =- Δ EP

    Usaha gaya Coulomb: A= qEΔ D= qEd 1 - qEd 2 = EP 1 - EP 2 =- Δ EP

    Dimana Δ D= D 1 - D 2

    Ep=qEd=>Ep tidak dapat berfungsi sebagai karakteristik energi medan, karena bergantung pada besarnya muatan uji, dan rasio Mungkin. Rasio ini adalah karakteristik energi medan listrik:
    . Nilai ini diukur dalam volt. Dengan menggunakan potensial dan tegangan, kita dapat mengkarakterisasi medan elektrostatis.

    1 Berikut ini, untuk singkatnya, kata “muatan” akan digunakan. Pada kenyataannya, ini berarti benda bermuatan

    2 yaitu tidak semua partikel bermuatan listrik (contoh: neutron)

Membagikan: