Кіріспе

Тұрақты немесе баяу қозғалатын электр зарядтарын зерттеу

Электростатика – физиканың баяу қозғалатын немесе тұрақты электр зарядтарын зерттейтін саласы. Ежелгі заманнан бері, кейбір материалдар, мысалы, кеңірбар, сүрінгеннен кейін жеңіл бөлшектерді тартатыны белгілі болды. Грек тіліндегі кеңірбар сөзі – ἤλεκτρον, осылайша "электр" сөзінің бастауы осы сөзден шыққан. Электростатикалық құбылыстар электр зарядтарының бір-біріне түсіретін күштерінен пайда болады. Мұндай күштер Кулон заңымен сипатталады. Электростатикалық құбылыстардың көптеген мысалдары бар: пластик қаптаманы қолға жабысуындай қарапайым жағдайлардан бастап, астық сақтағыштардың түсініксіз жарылуы, өндіріс кезінде электрондық компоненттердің зақымдануы, көшірме машиналар мен лазерлік принтерлердің жұмыс істеуі сияқты жағдайлар да бар. Электростатикалық модель, жылдамдықтар төмен және жүйе макроскопиялық болғандықтан кванттық эффектілерге қатысы жоқ "классикалық" жағдайлардағы электр құбылыстарын дәл болжайды. Ол кванттық механикада да маңызды рөл атқарады, онда қосымша шарттарды қосу қажет.

Электр өрісі

Электр өрісі, , Ньютон/Кулон немесе вольт/метр бірліктерімен, нүктелік зарядтардың орналасқан жерлерінен басқа, кез келген жерде анықталатын векторлық өріс (онда шексіздікке дейін өседі). Ол Кулон заңына сәйкес, берілген нүктедегі гипотетикалық кішкентай сынақ зарядына түсетін электростатикалық күш, Ньютонмен өлшенген, сол зарядтың шамасына, Кулонмен өлшенген, бөлінуі арқылы анықталады. Электр өрісі сызықтары электр өрісін визуализациялауға көмектеседі. Өріс сызықтары оң зарядтан басталып, теріс зарядта аяқталады. Олар әрбір нүктеде электр өрісінің бағытына параллель, ал осы өріс сызықтарының тығыздығы кез келген нүктеде электр өрісінің күшінің өлшемі болып табылады. - нүктелерінде орналасқан зарядтары бар бөлшектер жиынтығын қарастырайық (оларды бастапқы нүктелер деп атаймыз), нүктесіндегі (өріс нүктесі деп атаймыз) электр өрісі: "бос кеңістіктегі кез келген пішіндегі жабық бет арқылы өтетін электр ағыны, сол бетпен қоршалған электр зарядының жалпы шамасына пропорционалды" дейді. Көптеген сандық есептерді денеге айналасындағы Гаусс бетін қарастыру арқылы шешуге болады. Математикалық жағынан алғанда, Гаусс заңы интегралдық теңдеу түрінде келесідей жазылады: мұндағы – көлем элементі. Егер заряд бетте немесе сызық бойында таратылған болса, орнына немесе қоюға болады. Дивергенция теоремасы Гаусс заңын дифференциалдық түрде жазуға мүмкіндік береді: мұндағы – дивергенция операторы.

Электростатикалық қысым

Жетекшіде беткі заряд электр өрісі болғанда күш сезінеді. Бұл күш – беткі зарядтағы үзілісті электр өрісінің орташа мәні. Бұл орташа мән, бетке жақын өріс тұрғысынан келесідей:

Бұл қысым беткі зарядтың таңбасына қарамастан, өткізгішті өрісқа тартуға ұмтылады.