background image

1

lato 2005/06

Wykład 12-1

1

Cztery fundamentalne oddziaływania:

1. Grawitacyjne
2. Elektromagnetyczne
3. Słabe
4. Silne

Elektromagnetyczne

Równania Maxwella

jądrowe

Elektromagnetyzm

Elektryczność

Magnetyzm

,   Q

M

Q

,

B

r

E

r

lato 2005/06

Wykład 12-1

2

POLE 
ELEKTROSTATYCZNE –
CZĘŚĆ I

background image

2

lato 2005/06

Wykład 12-1

3

Każdy inny ładunek jest wielokrotnością ładunku elementarnego 

|Q|= Ne

Kwantyzacja ładunku

p

Każdy elektron ma masę = m   i ładunek = - e

Każdy proton ma masę = m  i ładunek  = e

e

p

e=1,602·10

-19 

C

Ładunek elementarny

lato 2005/06

Wykład 12-1

4

Zasada zachowania ładunku

p

p

Całkowity 

ładunek 

układu 

odosobnionego,  tzn.  algebraiczna 
suma 

dodatnich 

ujemnych 

ładunków 

występujących 

dowolnej  chwili,  nie  może  ulegać 
zmianie.

-e

Q

całk

=const

Q

całk

= Q

e

+ Q

p

= - e + e

0

background image

3

lato 2005/06

Wykład 12-1

5

Przykłady zasady zachowania ładunku

n

Rozpad promieniotwórczy j

ądra 

He

Th

U

238

92

4

2

234

+

Emisja cząstki α

Liczba atomowa Z=92 
oznacza 92 protony w 
jądrze i ładunek 92e

92e=90e+2e

90

Z zasady zachowania ładunku

lato 2005/06

Wykład 12-1

6

Przykłady zasady zachowania ładunku

n

Proces anihilacji elektronu e

-

i antycz

ąstki 

pozytonu e+ 

γ

γ

e

e

+

+

+

Emisja dwóch kwantów promieniowania 
elektromagnetycznego 

§ Proces kreacji pary

+

+

e

e

γ

background image

4

lato 2005/06

Wykład 12-1

7

Empiryczne prawo Coulomba

F   = -F

1,2            2,1

III zasada dynamiki

1785 – waga skręceń

2

2

Nm

C

 

gdzie

 

πε

k

12

o

10

85

.

8

ε

4

1

=

=

o

2

,

1

2

2

,

1

2

1

2

,

1

2

2

,

1

2

1

2

,

1

ˆ

πε

4

1

ˆ

r

r

F

r

q

q

r

q

q

k

o

=

=

r

Charles Coulomb 1736-1806

lato 2005/06

Wykład 12-1

8

PODOBIEŃSTWA

Oddziaływanie grawitacyjne jest dużo słabsze niż 
elektrostatyczne

POLE ELEKTROSTATYCZNE A POLE GRAWITACYJNE

PRAWO COULOMBA

PRAWO NEWTONA

G=6,67·10

-11

N ·m

2

/kg

2

r

F

ˆ

r

q

q

πε

4

1

2

2

1

o

=

r

r

F

ˆ

r

m

m

G

2

2

1

=

r

 

/C

m

N

10

8,99

πε

k

2

2

9

=

=

o

4

1

background image

5

lato 2005/06

Wykład 12-1

9

ZASADA SUPERPOZYCJI

oś x

q             q             q

L                  0                  R

x

F

F

F

ˆ

0

2

R

L

0

x

)

q

(q

kq

=

+

=

L

R

r

r

r

=

i

i

cał

F

F

r

r

F

R

F

L

Ładunki q

L

, q

0

i q

R

są tego samego znaku

lato 2005/06

Wykład 12-1

10

Znajdź wartość i kierunek siły wypadkowej działającej na ładunek q

0

Zadanie domowe 12-1

background image

6

lato 2005/06

Wykład 12-1

11

Definicja wektora natężenia pola elektrycznego

q

r

E

ˆ

2

r

kq

=

r

ładunek próbny q

>0

Natężenie pola ładunku punktowego

r

E

=

=

i

i

i

i

r

E

E

ˆ

2

i

r

kq

r

r

Natężenie pola pochodzące od wielu ładunków punktowych

(rozkład dyskretny)

0

q

F

E

r

r

=

lato 2005/06

Wykład 12-1

12

Pole ładunku punktowego

Linie pola –

linie równoleg

łe do wektora natężenia pola

Symetria sferyczna

background image

7

lato 2005/06

Wykład 12-1

13

Dwa jednoimienne 
ładunki punktowe

Linie pola

lato 2005/06

Wykład 12-1

14

Dipol elektryczny-dwa 
różnoimienne ładunki w 
bardzo małej odległości

moment dipolowy

Linie pola

background image

8

lato 2005/06

Wykład 12-1

15

Korzystając  z  zasady  superpozycji  znajdź 
wektor natężenia pola na osi y w punkcie P

3

Zadanie domowe 12-2

lato 2005/06

Wykład 12-1

16

(a) Znajdź natężenie pola w punkcie P gdy a
(b) Rozważ przypadek graniczny x >> a

Zadanie domowe 12-3

background image

9

lato 2005/06

Wykład 12-1

17

Ciągły rozkład ładunku

Dla ładunku, dq,
natężenie pola elektrycznego

w punkcie P dane jest 

zgodnie z prawem Coulomba
jak dla ładunku punktowego

r

E

ˆ

d

2

r

kdq

=

r

Dla ładunków dyskretnych pole wypadkowe jest sumą
wektorów natężenia  E

i

czyli 

=

i

i

E

E

r

r

Dla ciągłego rozkładu ładunku 
pole wypadkowe jest całką:

=

=

Q

2

ˆ

r

kdq

d

r

E

E

r

r

lato 2005/06

Wykład 12-1

18

Ciągły rozkład ładunku

W zależności od rozkładu ładunku rozróżniamy:
•gęstość liniową ładunku λ,

•gęstość powierzchniową ładunku σ, 

•gęstość objętościową ładunku ρ

+ +

+

+

+

x

dx

dq

λ

=

+

+

+

+

+

+

dS

dS

dq

=

σ

dV

dq

ρ

=

Dla ci

ągłego rozkładu ładunku, w 

zale

żności od rodzaju gęstości ładunku, 

pole wypadkowe mo

że być całką liniową, 

powierzchniow

ą lub objętościową:

=

=

V

r

E

E

ˆ

r

dV

ρ

k

d

2

r

r

background image

10

lato 2005/06

Wykład 12-1

19

Przykład 12-1 Liniowy rozkład ładunku 

Z prawa Coulomba

x

E

ˆ

)

x

(x

kdq

2

o

=

x

r

d

Z definicji gęstości liniowej ładunku

λdx

dq

=

x

E

ˆ

)

x

(x

x

λd

k

2

o

=

x

r

d

Znale

źć wektor natężenia 

pola elektrycznego w 
punkcie P na osi liniowego 
rozk

ładu ładunku

lato 2005/06

Wykład 12-1

20

Wypadkowe natężenie pola jest sumą pól pochodzących od 
ładunków elementarnych dq:

=

=

L

0

2

o

x

x)

(x

k

dE

E

λdx

L)

(x

x

L

o

o

=

background image

11

lato 2005/06

Wykład 12-1

21

Znale

źć składową E

y

wektora nat

ężenia pola, liniowego rozkładu 

ładunku, poza osią

Wielkość składowej pola w kierunku y:

2

2

r

dx

r

kdq

E

=

=

d

θ

cos

E

y

dE

d

=

ale

r

y

cosθ

=

r

y

d

y

2

r

dx

E

=

czyli

Całkując:

=

=

=

2

1

x

x

3

y

y

r

dx

y

r

y

d

 

E

r

dx

E

2

gdzie

2

2

y

x

r

+

=

Przykład 12-2 Liniowy rozkład ładunku 

lato 2005/06

Wykład 12-1

22

Stosując podstawienie:

tgθ

y

x

=

)

sinθ

(sinθ

Ly

kQ

)

sinθ

(sinθ

y

θ

y

1

2

1

2

θ

θ

=

=

=

2

1

cos

 

E

y

=

=

=

2

1

x

x

3

y

y

r

dx

y

r

y

d

 

E

r

dx

E

2

background image

12

lato 2005/06

Wykład 12-1

23

Wykaza

ć, że (a) wartość 

wypadkowego wektora nat

ężenia 

pola elektrycznego na symetralnej 
pr

ęta od długości L, naładowanego 

jednorodnie o ca

łkowitym ładunku 

Q wynosi 

Wykorzysta

ć rezultaty przykładu 5. 

(b) Przeprowadzi

ć analizę 

otrzymanego wzoru dla L

→∞

2

2

o

L

y

4

Q

y

πε

2

1

E

+

=

Zadanie domowe 12-4