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文档简介
Physics2:ElectricityandThermodynamicstoreviewElectricChargeElectricForceElectricFieldElectricPotentialcalculateforsomespecialcasesElectricforce
andElectricfieldElectriccharge
isthephysicalproperty
of
matterthatcausesittoexperienceaforcewhenplacedinanelectromagneticfield.Therearetwotypesofelectriccharges:positiveandnegative
++ADCB-FE+ADCBFEHydrogenHelium+Comparetheelectricforcesthatthetwoelectronsexperience.(giventhesamedistancebetweenelectronsandnuclei)
ElectrostaticForce–Coulomb’slawTheelectricforcebetween2pointchargesq1andq2is:Theelectricforceisavector!unitvector(toshowthedirection)Forceonpointchargeq2
duetopointchargeq1
(Permittivityofvacuum)Thecoulomb(unitsymbol:C)istheSIunitofelectriccharge.Itisthecharge(symbol:Qorq)transportedbyaconstantcurrentofoneampereinonesecond:1C=1A.1sThus,itisalsotheamountofexcesschargeonacapacitorofonefaradchargedtoapotentialdifferenceofonevolt:1C=1F.1VCharles-AugustindeCoulomb
(1736–1806)Electricchargeis“quantized”:Anypossiblechargeisamultipleoftheelementarychargee
e=1.6×10-19CElementary/subatomicparticlescarryelementarycharge:electronme=9.11×10−31kg-emp=1.6726×10−27kgeprotonneutron0mn=1.6749×10−27kg=1.6021766208(98)×10-19C
CoulombsineverydaylifeStaticelectricitybyrubbingmaterials:Alightningbolt:TotalchargefromAAbatteryfromfullychargedtodischarged:about15Cafewmicro-coulombs(μC=10-6C)~5000C1C1C1mF=9×109Nequivalenttotheweightof920,000metrictons!FFForceontwo1Coulombchargesseparatedby1mSo:1Cisaverybigcharge!-+-SuperpositionofelectricforcesQ2Q1Q3Q4qFtotFtotFtotForceonasmall
“test”chargeqWhatifthetestchargebecomes2q?Howabouttheforces?Atanypointinspace,wecandefine:E
istheElectricFieldNowwemaydefinetheelectricfield(throughtheelectricforce)ElectrostaticforceAnelectricfield
isafieldthatsurroundselectriccharges.ItrepresentschargesattractingorrepellingotherelectricchargesbyexertingforceelectromagneticfieldelectricfieldmagneticfieldvectorsElectricfieldlineThedensityoffieldlines(numberoffieldlinesperunitarea)atanylocationisproportionaltothemagnitudeofthefieldatthatpointFrompositivetonegative1positiveand1negativecharges(dipole)DirectionofelectricfiledistangentialtothefieldlineElectricfieldlinesnevercrosseachother!2positivechargesNearlyuniformfieldbetweenparallelplatesForceonachargeinanelectricfieldIf:Q
=
4
nCd=6cm-+dd+Q-QE=?
=2×104N/CallthesmallelementsgiveasameamountofelectricfieldintheverticaldirectionhrElectricfieldfroma
uniformlychargedring(onitsaxis)dividethecircleintosmallelementsthehorizontal
componentsfromelementsonoppositesidesofthecirclecanceloutnumberofelementsinacircle:areaofeachelement:chargeofeachelement:surfacechargedensity
σ=Q/AN=hrElectricfieldfroma
uniformlychargedring(onitsaxis)fieldfromoneelement:totalfieldfromthecirclesurfacechargedensity
σ=Q/AdθNElectricfieldfromaninfinite
uniformlychargedplatecontributionsfromrings,fromr=0toinfinitydividetheplaneintoconcentricrings
withequalwidthhrcontributionfromonering(r):Defineanewvariablex:Fieldfromchargesatradius
r=hxSurfacechargedensityσ=Q/AareaunderthecurveElectricfieldfromaninfiniteplatewithauniformdensityofchargeσ:perpendiculartotheplatedoesNOTdependonthedistance!Butofcourse,noplatecanbeinfiniteThisisonlyanapproximationthesign(direction)dependsonthechargePlateislargeClosetotheplateorWhatabouttheelectricfieldfromacharged
infinitewire?Thinkaboutit!ChargeacceleratedinanelectricfieldSimilartoaccelerationinagravitationalfield.Gaininkineticenergy:sowhatisthepotentialenergy?TheelectrostaticforceisaconservativeforceCorrespondingpotentialenergyQqdWhatisthepotentialenergyofachargebroughttoadistanced
fromanothercharge?Initialkineticenergy:justenoughtomovetodistanced,wherevelocitywillbezeroLossinkineticenergy=gaininpotentialenergy=thenegativeoftheworkdoneZeropotential-infinitelyfaraway(negative)but:FdependsonxForeachsmallinterval:Thetotalworkisthesumofallthosesmallintervals:SotheelectricpotentialenergyisWhythepotentialenergydoesn’tdependonthepathtaken?QqqdQqonlydependsonmovementintheradialdirectionTheelectricforceisalwaysradialSotheworkdoesnotdependonthepath!Q5Q6Q4Q2Q3Q1qd3d2d1d6d5d4totalpotentialenergyisthesumofpotentialenergyduetoallchargesPotentialenergyisalwaysproportionaltoqDefine:Visthe“potential”multiplecharges?Letusdefinethepotentialenergyperunitcharge:isthe‘electricpotential’,orjust‘potential’ChangeinpotentialbetweenpointsAandBis:(Joules/Coulomb=Volt)alsocalled“Voltage”Q5cmV=?
Wecandraw“equipotentiallines”wherethe
potentialisthesameSimilartoacontourmapcontour
line(isoline)EquipotentiallinesEquipotentiallines/surfaces
areperpendiculartoElectricFieldlinesPotentialatdistancerfromapointchargeisthesame100VoltsWhatwillbethespeedoftheelec
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