Электрический заряд. Закон Кулона

Электрический заряд. Закон сохранения заряда. урок. Физика 10 Класс

Электрический заряд. Закон Кулона

С электричеством вы сталкиваетесь постоянно. Вы видели молнию, вы освещаете комнату с помощью электрической лампочки, электрообогреватель выделяет тепло – все эти явления связаны с движением электрического заряда.

С неподвижным электрическим зарядом вы тоже сталкивались, когда после расчесывания получали наэлектризованные волосы. Они разлетаются в разные стороны.

Электрические заряды находятся без преувеличения везде, из них состоит любое вещество! На этом уроке мы выясним то, что нам известно про заряды.

Как известно, в природе встречаются заряды двух типов – положительные и отрицательные. Разноименные заряды притягиваются, одноименные – отталкиваются. Это взаимодействие происходит на любом расстоянии.

Как же они тогда взаимодействуют? Для этого существует электрическое поле.

Вокруг каждого заряда существует такое поле и если в него попадает еще один заряд, то он начинает «чувствовать» это поле: на него начинают действовать силы притяжения или отталкивания соответственно.

В природе есть много ненаблюдаемого. Например, мы не видим ветер, но видим, как он раскачивает ветви деревьев. Мы не видим температуру, но мы видим, как нагретые тела расширяются. По расширению, например, ртути в термометре, мы можем температуру измерять (см. рис. 1).

Рис. 1. Расширение ртути

Т. е. мы наблюдаем проявление чего-то и на основе этих наблюдений судим о том, чего непосредственно не наблюдаем. Заряд мы тоже изучаем по его проявлению. Мы не видим заряды, но наблюдаем их взаимодействие. Один заряд действует на другой на расстоянии через электрическое поле. Поле заряда – это пространство, где на другие заряды будет действовать сила.

Взаимодействие тел через поле нам уже знакомо. Тело, обладающее массой, создает вокруг себя поле – гравитационное, которое проявляется в действии на другое тело, обладающее массой. Их взаимодействие подчиняется закону всемирного тяготения (см. рис. 2).

Рис. 2. Взаимодействие массивных тел

Закон всемирного тяготения

Вокруг тела, обладающего массой, возникает гравитационное поле. Посредством этого поля массы взаимодействуют, притягиваются. Сила их притяжения пропорциональна величине каждой из масс и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними (см. рис. 3):

 – константа, гравитационная постоянная, равна .

Рис. 3. Закон всемирного тяготения

Квадрат расстояния встречается во многих физических формулах, так что это позволяет говорить о законе, связывающем величину эффекта с квадратом расстояния от источника воздействия:

Эта пропорциональность справедлива для гравитационного, электрического, магнитного действия, силы звука, света, радиации, распространяющихся от источника.

Связано это, конечно, с тем, что площадь поверхности сферы распространения эффекта увеличивается пропорционально квадрату расстояния (см. рис. 4).

Это будет выглядеть естественным, если вспомнить, что площадь сферы пропорциональна квадрату радиуса:

и тогда понятно, что сила действия от источника вдали от него должна распределяться по сфере всё большего радиуса.

Рис. 4. Площадь сферы распространения эффекта увеличивается с увеличением радиуса сферы

 Итак, электрические заряды взаимодействуют через электрическое поле, которое они вокруг себя создают.

Электрический заряд – физическая величина, которая показывает способность тел участвовать в электромагнитных взаимодействиях.

Разные заряды будут взаимодействовать с разными силами. Измерить силы обычным способом – это легко разрешимая задача. По величине силы мы можем судить о величине заряда. Понятно, что чем больше заряды, тем сильнее они взаимодействуют. Но понятия больший или меньший заряд – нечеткие, а величину заряда нужно измерить точно.

Измерить заряд, используя уже известные единицы измерения, не получится. Мы не измерим заряд ни в метрах, ни, например, в килограммах. Это сущность, для которой нужна новая единица измерения. Единица измерения заряда – кулон.

Обозначается заряд чаще всего буквой .

Единицы измерения заряда

Заряд проявляется в воздействии на другой заряд. Измерять его можно по этому воздействию, то есть измерять силу, с которой этот заряд действует на другой заряд на некотором расстоянии. Тогда единицы измерения заряда можно выразить через килограмм, метр и секунду. Так раньше и поступали в системе СГС. В системе СИ заряд удобно измерять в Кл (кулонах).

Процесс сообщения телу электрического заряда называется электризацией. Часто он происходит при трении тел друг о друга. Например, если потереть эбонитовую палочку о шерсть (см. рис. 5), то и она, и шерсть приобретут электрические заряды (эбонитовая палочка зарядится отрицательно, а шерсть – положительно).

Рис. 5. Заряжание эбонитовой палочки

Проверить это просто: если поднести два наэлектризованных кусочка шерсти друг к другу, то они будут отталкиваться, так как заряжены зарядом одинакового знака (см. рис. 6).

Рис. 6. Оба кусочка шерсти заряжены положительно

Из этого следует вывод, что заряды одного типа отталкиваются. Если расчесывать волосы, то расческа заряжается отрицательно, а волосы – положительно (см. рис. 7).

Рис. 7. Заряжание волос

Собственно, поэтому, после расчесывания, волосы разлетаются в разные стороны (каждый волос заряжен положительно и отталкивается от остальных (см. рис. 8)).

Рис. 8. Каждый волос заряжен положительно

Путем простых опытов мы обнаружили, что существует два типа зарядов, которые взаимодействуют следующим образом: однотипные заряды отталкиваются, разнотипные – притягиваются.

Как определить, какой именно заряд приобретает тело при трении

Мы проводим много опытов с расческами, тканями и палочками, чтобы они приобретали электрический заряд. Одна и та же шерсть заряжается отрицательно при трении о стекло и положительно при трении о полиэтилен.

Как можно заранее знать, какой тип заряда приобретает материал? Есть ли какое-то правило? Можно заниматься практическим определением (такие опыты были проведены много раз), и были получены трибоэлектрические ряды некоторых материалов (см. рис.

9), в которых любой взятый материал при трении с материалом, расположенным ниже него в ряду, заряжается положительно, и наоборот. Разные экспериментаторы получали свои ряды, и на рисунке их можно увидеть.

Рис. 9. Трибоэлектрические ряды

Сейчас известно, что носителями двух типов заряда являются элементарные частицы: электрон и протон. Элементарные частицы неделимы, поэтому заряд одной частицы, равный , – это минимальный заряд, обозначается часто  или . Эти частицы имеют массу:  и  для электрона и протона соответственно.

Что же происходит с телами при электризации? Представьте себе два одинаковых металлических шара, но только один из них заряжен отрицательно, а другой не заряжен (см. рис. 10).

Рис. 10. Заряженный и незаряженный шары

Известно, что все тела состоят из атомов, а те, в свою очередь, состоят из протонов, нейтронов, электронов (см. рис. 11).

Рис. 11. Атом

Протоны заряжены положительно, электроны – отрицательно. Будем называть их элементарными зарядами, то есть неделимыми.

Так вот, в большинстве случаев в атоме количество протонов равняется количеству электронов и получается, что они полностью компенсируют друг друга и в целом атом нейтрален.

Важно понимать, что в атоме заряды никуда не исчезают, там по-прежнему есть положительные и отрицательные частицы, просто их действие на далекие предметы полностью компенсируется (см. рис. 12).

Рис. 12. Действие частиц компенсировано

А вот в шаре, заряженном отрицательно, электронов больше, чем протонов, поэтому в целом в теле количество отрицательных элементарных зарядов больше, чем количество положительных элементарных зарядов, и тело заряжено отрицательно (см. рис. 13).

Рис. 13. Количество электронов в заряженном шаре

Заряд макроскопического тела (состоящего из большого количества атомов) – это величина, показывающая разность между положительными и отрицательными зарядами в теле. Если это количество одинаково, то заряд нулевой. Величина элементарного заряда известна и равна . Соответственно, заряд протона договорились считать положительным , а заряд электрона – отрицательным .

Что же происходит при трении тел друг о друга, например пластика о шерсть? Электроны с внешних оболочек атомов, входящих в состав шерсти, «перепрыгивают» на пластмассу (см. рис. 14).

Рис. 14. Движение электронов при трении

Получается, что в шерсти становится меньше отрицательных электронов и она заряжается положительно, а пластмасса – отрицательно, так как в ней появляется избыточное количество электронов. Можно даже сказать: если при контакте заряд одного тела увеличивается, то у другого уменьшается.

Что касается искр между людьми, то это происходит, если хотя бы один человек «заряжен» (допустим, человек ходил по шерстяному ковру, при трении подошвами по нему), и если другой человек не заряжен также, то заряд будет перетекать с одного человека на другого, иногда это перетекание может быть даже по воздуху, в таком случае и появляется искра. Стоит отметить, что искра появляется только благодаря движению электронов, протоны находятся в ядрах атомов, они менее подвижны и не могут покидать атомов отличие от электронов.

Зарядить тело можно и без контакта – через влияние электрическим полем. Представьте себе незаряженный шар, к которому подносят положительно заряженную палочку – разноименные заряды притягиваются, поэтому электроны, которые были в шаре, притянутся к положительно заряженной палочке и скопятся в той части шара, которая ближе к ней (см. рис. 15).

Рис. 15. Влияние положительно заряженной палочки на электроны

Почему незаряженные частицы фольги притягиваются к заряженной расческе?

Оказывается, незаряженный кусочек фольги будет притягиваться к заряженной расческе. Как же так? В целом кусочек фольги электрически нейтрален.

Давайте посмотрим, что произойдет, если мы поднесем отрицательно заряженную расческу к кусочку фольги – отрицательно заряженная расческа притягивает к себе положительный заряд и отталкивает отрицательный.

Поэтому электроны отодвинутся дальше от границы, а сторона, которая находится ближе к расческе, будет заряжена положительно (см. рис. 16) и притяжение будет сильнее, чем отталкивание, потому что положительная часть фольги находится ближе к расческе.

Рис. 16. Расположение электронов в фольге при поднесении расчески

Так как основным принципом физики является принцип, по которому «ничто не исчезает бесследно», то выполняется закон сохранения электрического заряда: в электрически замкнутой системе алгебраическая сумма зарядов неизменна. Электрически замкнутая система – это модель. Это такая система, которую не покидают и не пополняют электрические заряды.

Пылинка, имеющая положительный заряд , потеряла электрон. Каким стал заряд пылинки?

В задаче описано тело, теряющее заряд. По закону сохранения заряд не исчезает бесследно, в электрически замкнутой системе суммарный заряд не изменяется. Выберем, какую систему считать электрически замкнутой. Пылинку покидает электрон, поэтому саму пылинку считать электрически замкнутой нельзя. Замкнутой можно считать систему, в которую входит пылинка и электрон (см. рис. 17).

Рис. 17. Замкнутая система

По закону сохранения заряда заряд системы до потери пылинкой электрона равен заряду после потери. Запишем это: заряд пылинки был . После взаимодействия заряд системы состоит из нового заряда пылинки и заряда электрона и равен заряду системы до потери:

где  – новый заряд пылинки. Заряд пылинки стал равен .

Рис. 18. Заряд системы до и после потери электрона

Ответ: заряд пылинки стал равен .

На этом наш урок окончен. Спасибо за внимание!

Список литературы

1. Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б., Сотский Н.Н. Физика: учеб. для общеобразоват. учреждений. Базовый и профильный уровни. 19-е издание. – М.: Просвещение, 2010.

2. Касьянов В.А. Физика. 10 кл.: Профильный уровень. 13-е издание. – М.: 2013 – 432 с.

Дополнительные рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет

1. Интернет-сайт «Медицинская энциклопедия» (Источник)

2. Интернет-сайт nscience.ru (Источник)  

3. Интернет-сайт «Класс!ная физика» (Источник)

4. Интернет-сайт «Электрик PRO» (Источник)

Домашнее задание

1. Сформулируйте закон сохранения электрического заряда.

2. Чему равен заряд электрона?

3. Верно ли утверждение: «Одноименные заряды отталкиваются»?

Источник: https://interneturok.ru/lesson/physics/10-klass/osnovy-elektrodinamiki-2/elektricheskiy-zaryad-zakon-sohraneniya-zaryada

Закон Кулона, история открытия и простое объяснение

Электрический заряд. Закон Кулона

Значение открытия фундаментального закона Кулона просто невозможно переоценить, ведь на этой базе строится вся электроника, поэтому знать и тем более понимать его просто нужно любому современному человеку. В этой статье я постараюсь максимально просто объяснить саму суть закона, так что усаживайтесь поудобней и начнем.

Шарль Огюстен де Кулон и его знаменитый закон

Историческая справка

Справедливости ради хочу сказать, что взаимодействия электрических зарядов наблюдали многие ученые и экспериментаторы еще до Ш. Кулона. Так, например, англичанин Кавендиш так же после череды экспериментов пришел к выводу, что неподвижные заряды взаимодействуют согласно определенному закону, но свои выводы он так и не обнародовал.

Кроме этого исследованиями в этой области занимались:

1. Г.В. Рихман2. Ф. Эпинус3. Д. Бернулли4. Д. Робинсон

На самом деле этот список можно продолжать долго и все эти ученые были близки к открытию, но не сумели математически выразить свои догадки.

Кулон так же проводил скрупулезные измерения. И для своих опытов изобрел специальные крутильные весы.

Крутильные весы Кулона

Созданная конструкция обладала высокой чувствительностью и реагировала на силы порядка 10 -9 Ньютон. При приложении столь малой силы коромысло поворачивалось ровно на 1 градус. В результате этого, вычисляя угол поворота, можно было измерить приложенную силу.

Так же Кулон выдвинул идею, которая заключалась в том, что во время соприкосновения заряженного шара с незаряженным шаром заряд распределялся между ними поровну. На это действие реагировал прибор, поворачивая коромысло на некий угол.

При этом заземляя жестко зафиксированный шар, Кулон нивелировал в нем заряд. Повторяя процесс перераспределения и снятия заряда, экспериментатор уменьшал изначальный заряд незафиксированного шара кратное число раз.

Вычисляя угол отклонения после каждого такого распределения, ученый обнаружил закономерность в действии отталкивающей силы. Это и дало толчок в формулировании знаменитого закона.

Опыты с крутильными весами Кулона

Формулируем закон

Теперь давайте сформулируем закон Кулона:

Кулон осуществлял эксперименты со сферами ничтожно малых размеров в сравнении с расстояниями между ними. Такие тела в физике еще именуют точечными. И в результате было сформировано следующее определение:

В вакууме сила взаимодействия двух заряженных тел прямо пропорциональна произведению их модулей и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.

Как по мне не совсем понятно, хоть и кратко. Более понятно можно сформулировать так:

Чем большим зарядом обладают тела и чем ближе они расположены друг к другу, тем больше сила. А если расстояние между этими телами увеличить, то сила станет меньше.

Математически формулировка выражена так:

Взаимодействие точечных зарядов одноименных и разноименных

А векторы силы направлены друг к другу, если заряды разноименные и друг от друга, если заряды одноименные.

Для работы закона нужно соблюдение ряда очень важных условий:

1. Должно быть соблюдено условие точечности зарядов.

2. Заряженные тела должны быть неподвижны.

3. Закон действителен для вакуума и воздушной среды.

Если вы внимательно посмотрите на картинку с формулой, то увидите «К» – коэффициент пропорциональности, давайте поговорим о нем несколько подробнее.

Коэффициент пропорциональности

Данный коэффициент «К» необходим для согласования соразмерностей в СИ (международной системе измерений). В данной же системе за единицу измерения заряда принимают Кулон – величина заряда, протекшего через проводник при силе тока в 1 Ампер за одну секунду.

Запомните! При взаимодействии нескольких тел, обладающих определенным зарядом в замкнутой системе, суммарная сила взаимодействия будет равна векторной сумме всех заряженных тел. В данной системе заряды никуда не деваются, а постоянно передаются от одного заряженного объекта к другому.

Закон Кулона и диэлектрики

Диэлектрики

Эта формула справедлива в том случае, если заряды расположены в вакууме. В любой другой среде сила взаимодействия заряженных тел неизбежно уменьшается, так как проявляется эффект поляризации.

Причем для каждой среды изменение происходит пропорционально определенной величине, которая получила название – диэлектрическая постоянная (проницаемость).

Учитывая данный параметр, коэффициент проницаемости принимает вид

Ограничение в применении

Хочу особо подчеркнуть, что при особо малых расстояниях (когда взаимодействуют элементарные частицы) порядка 10 -18 метров, строго говоря, закон Кулона не работает.

Кроме этого данный закон имеет явные нарушения в сильных электромагнитных полях (10-18 В/м). В представленной среде кулоновский потенциал снижается не обратно пропорционально, а экспоненциально.

Закон Кулона – это первый количественный фундаментальный закон, обоснованный математически, и его значение очень трудно переоценить. Именно с открытия закона можно сказать, что стартовала эпоха изучения электромагнетизма.

Источник: https://zen.yandex.ru/media/id/5aef12c13dceb76be76f1bb1/5dd2cda665a00b326a524d95

1.1. Электрический заряд. Закон Кулона

Электрический заряд. Закон Кулона


Многие физические явления, наблюдаемые в природе и окружающей нас жизни, не могут быть объяснены только на основе законов механики, молекулярно-кинетической теории и термодинамики.

В этих явлениях проявляются силы, действующие между телами на расстоянии, причем эти силы не зависят от масс взаимодействующих тел и, следовательно, не являются гравитационными.

Эти силы называют электромагнитными силами.

О существовании электромагнитных сил знали еще древние греки.

Но систематическое, количественное изучение физических явлений, в которых проявляется электромагнитное взаимодействие тел, началось только в конце XVIII века.

Трудами многих ученых в XIX веке завершилось создание стройной науки, изучающей электрические и магнитные явления. Эта наука, которая является одним из важнейших разделов физики, получила название электродинамики.

Основными объектами изучения в электродинамике являются электрические и магнитные поля, создаваемые электрическими зарядами и токами.

Электрическое поле

Подобно понятию гравитационной массы тела в механике Ньютона, понятие заряда в электродинамике является первичным, основным понятием.

Электрический заряд – это физическая величина, характеризующая свойство частиц или тел вступать в электромагнитные силовые взаимодействия.

Электрический заряд обычно обозначается буквами q или Q.

Совокупность всех известных экспериментальных фактов позволяет сделать следующие выводы:

  • Существует два рода электрических зарядов, условно названных положительными и отрицательными.
  • Заряды могут передаваться (например, при непосредственном контакте) от одного тела к другому. В отличие от массы тела электрический заряд не является неотъемлемой характеристикой данного тела. Одно и то же тело в разных условиях может иметь разный заряд.
  • Одноименные заряды отталкиваются, разноименные – притягиваются. В этом также проявляется принципиальное отличие электромагнитных сил от гравитационных. Гравитационные силы всегда являются силами притяжения.

Одним из фундаментальных законов природы является экспериментально установленный закон сохранения электрического заряда.

В изолированной системе алгебраическая сумма зарядов всех тел остается постоянной:

q1 + q2 + q3 + … +qn = const.

Закон сохранения электрического заряда утверждает, что в замкнутой системе тел не могут наблюдаться процессы рождения или исчезновения зарядов только одного знака.

С современной точки зрения, носителями зарядов являются элементарные частицы.

Все обычные тела состоят из атомов, в состав которых входят положительно заряженные протоны, отрицательно заряженные электроны и нейтральные частицы – нейтроны.

Протоны и нейтроны входят в состав атомных ядер, электроны образуют электронную оболочку атомов. Электрические заряды протона и электрона по модулю в точности одинаковы и равны элементарному заряду e.

В нейтральном атоме число протонов в ядре равно числу электронов в оболочке. Это число называется атомным номером. Атом данного вещества может потерять один или несколько электронов или приобрести лишний электрон. В этих случаях нейтральный атом превращается в положительно или отрицательно заряженный ион.

Заряд может передаваться от одного тела к другому только порциями, содержащими целое число элементарных зарядов. Таким образом, электрический заряд тела – дискретная величина:

Физические величины, которые могут принимать только дискретный ряд значений, называются квантованными. Элементарный заряд e является квантом (наименьшей порцией) электрического заряда.

Следует отметить, что в современной физике элементарных частиц предполагается существование так называемых кварков – частиц с дробным зарядом и Однако, в свободном состоянии кварки до сих пор наблюдать не удалось.

В обычных лабораторных опытах для обнаружения и измерения электрических зарядов используется электрометр – прибор, состоящий из металлического стержня и стрелки, которая может вращаться вокруг горизонтальной оси (рис. 1.1.1).

Стержень со стрелкой изолирован от металлического корпуса. При соприкосновении заряженного тела со стержнем электрометра, электрические заряды одного знака распределяются по стержню и стрелке.

Силы электрического отталкивания вызывают поворот стрелки на некоторый угол, по которому можно судить о заряде, переданном стержню электрометра.

Рисунок 1.1.1.Перенос заряда с заряженного тела на электрометр

Электрометр является достаточно грубым прибором; он не позволяет исследовать силы взаимодействия зарядов. Впервые закон взаимодействия неподвижных зарядов был открыт французским физиком Ш. Кулоном в 1785 г.

В своих опытах Кулон измерял силы притяжения и отталкивания заряженных шариков с помощью сконструированного им прибора – крутильных весов (рис. 1.1.2), отличавшихся чрезвычайно высокой чувствительностью.

Так, например, коромысло весов поворачивалось на 1° под действием силы порядка 10–9 Н.

Идея измерений основывалась на блестящей догадке Кулона о том, что если заряженный шарик привести в контакт с точно таким же незаряженным, то заряд первого разделится между ними поровну.

Таким образом, был указан способ изменять заряд шарика в два, три и т. д. раз. В опытах Кулона измерялось взаимодействие между шариками, размеры которых много меньше расстояния между ними.

Такие заряженные тела принято называть точечными зарядами.

Точечным зарядом называют заряженное тело, размерами которого в условиях данной задачи можно пренебречь.

Рисунок 1.1.2.Прибор Кулона
Рисунок 1.1.3.Силы взаимодействия одноименных и разноименных зарядов

На основании многочисленных опытов Кулон установил следующий закон:

Силы взаимодействия неподвижных зарядов прямо пропорциональны произведению модулей зарядов и обратно пропорциональны квадрату расстояния между ними:

Силы взаимодействия подчиняются третьему закону Ньютона: Они являются силами отталкивания при одинаковых знаках зарядов и силами притяжения при разных знаках (рис. 1.1.3). Взаимодействие неподвижных электрических зарядов называют электростатическим или кулоновским взаимодействием. Раздел электродинамики, изучающий кулоновское взаимодействие, называют электростатикой.

Закон Кулона справедлив для точечных заряженных тел. Практически закон Кулона хорошо выполняется, если размеры заряженных тел много меньше расстояния между ними.

Коэффициент пропорциональности k в законе Кулона зависит от выбора системы единиц. В Международной системе СИ за единицу заряда принят кулон (Кл).

Кулон – это заряд, проходящий за 1 с через поперечное сечение проводника при силе тока 1 А. Единица силы тока (ампер) в СИ является наряду с единицами длины, времени и массы основной единицей измерения.

Коэффициент k в системе СИ обычно записывают в виде:

где – электрическая постоянная.

В системе СИ элементарный заряд e равен:

e = 1,602177·10–19 Кл ≈ 1,6·10–19 Кл.

Опыт показывает, что силы кулоновского взаимодействия подчиняются принципу суперпозиции.

Если заряженное тело взаимодействует одновременно с несколькими заряженными телами, то результирующая сила, действующая на данное тело, равна векторной сумме сил, действующих на это тело со стороны всех других заряженных тел.

Рис. 1.1.4 поясняет принцип суперпозиции на примере электростатического взаимодействия трех заряженных тел.

Рисунок 1.1.4.Принцип суперпозиции электростатических сил
Модель. Взаимодействие точечных зарядов

Принцип суперпозиции является фундаментальным законом природы.

Однако, его применение требует определенной осторожности, в том случае, когда речь идет о взаимодействии заряженных тел конечных размеров (например, двух проводящих заряженных шаров 1 и 2).

Если к системе из двух заряженных шаров поднсти третий заряженный шар, то взаимодействие между 1 и 2 изменится из-за перераспределения зарядов.

Принцип суперпозиции утверждает, что при заданном (фиксированном) распределении зарядов на всех телах силы электростатического взаимодействия между любыми двумя телами не зависят от наличия других заряженных тел.




Лучшие школы, лагеря, ВУЗы за рубежом
Математика, Английский язык, Химия, Биология, Физика, География, Астрономия.
А также: online подготовка к ЕГЭ на College.ru, библиотека ЭОРов и обучающие программы на Multiring.ru.

Источник: https://physics.ru/courses/op25part2/content/chapter1/section/paragraph1/theory.html

Закон Кулона

Электрический заряд. Закон Кулона

  • Справочник
  • Законы
  • Закон Кулона

Закон Кулона количественно описывает взаимодействие заряженных тел. Он является фундаментальным законом, то есть установлен при помощи эксперимента и не следует ни из какого другого закона природы.

Он сформулирован для неподвижных точечных зарядов в вакууме. В реальности точечных зарядов не существует, но такими можно считать заряды, размеры которых значительно меньше расстояния между ними.

Сила взаимодействия в воздухе почти не отличается от силы взаимодействия в вакууме (она слабее менее чем на одну тысячную).

Электрический заряд – это физическая величина, характеризующая свойство частиц или тел вступать в электромагнитные силовые взаимодействия.

Впервые закон взаимодействия неподвижных зарядов был открыт французским физиком Ш. Кулоном в 1785 г. В опытах Кулона измерялось взаимодействие между шариками, размеры которых много меньше расстояния между ними. Такие заряженные тела принято называть точечными зарядами.

На основании многочисленных опытов Кулон установил следующий закон:

Сила взаимодействия двух неподвижных точечных электрических зарядов в вакууме прямо пропорциональна произведению их модулей и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Она направлена вдоль прямой, соединяющей заряды, и является силой притяжения, если заряды разноименные, и силой отталкивания, если заряды одноименные.

Если обозначить модули зарядов через |q1| и |q2|, то закон Кулона можно записать в следующей форме:

\[ F = k \cdot \dfrac{\left|q_1 \right| \cdot \left|q_2 \right|}{r2} \]

Коэффициент пропорциональности k в законе Кулона зависит от выбора системы единиц.

\[ k=\frac{1}{4\pi \varepsilon _0} \]

Полная формула закона Кулона:

\[ F = \dfrac{\left|q_1 \right|\left|q_2 \right|}{4 \pi \varepsilon_0 \varepsilon r2} \]

Где :

\( F \) — Сила Кулона

\( q_1 q_2 \) — Электрический заряд тела

\( r \) — Расстояние между зарядами

\( \varepsilon_0 = 8,85*10{-12} \) — Электрическая постоянная

\( \varepsilon \) — Диэлектрическая проницаемость среды

\( k = 9*109 \) — Коэффициент пропорциональности в законе Кулона

Силы взаимодействия подчиняются третьему закону Ньютона: \( \vec{F}_{12}=\vec{F}_{21} \) . Они являются силами отталкивания при одинаковых знаках зарядов и силами притяжения при разных знаках.

Электрический заряд обычно обозначается буквами q или Q.

Совокупность всех известных экспериментальных фактов позволяет сделать следующие выводы:

  • Существует два рода электрических зарядов, условно названных положительными и отрицательными.
  • Заряды могут передаваться (например, при непосредственном контакте) от одного тела к другому. В отличие от массы тела электрический заряд не является неотъемлемой характеристикой данного тела. Одно и то же тело в разных условиях может иметь разный заряд.
  • Одноименные заряды отталкиваются, разноименные – притягиваются. В этом также проявляется принципиальное отличие электромагнитных сил от гравитационных. Гравитационные силы всегда являются силами притяжения.

Взаимодействие неподвижных электрических зарядов называют электростатическим или кулоновским взаимодействием. Раздел электродинамики, изучающий кулоновское взаимодействие, называют электростатикой.

Закон Кулона справедлив для точечных заряженных тел. Практически закон Кулона хорошо выполняется, если размеры заряженных тел много меньше расстояния между ними.

Отметим, чтоб выполнялся закон Кулона необходимо 3 условия:

  • Точечность зарядов — то есть расстояние между заряженными телами много больше их размеров.
  • Неподвижность зарядов. Иначе вступают в силу дополнительные эффекты: магнитное поле движущегося заряда и соответствующая ему дополнительная сила Лоренца, действующая на другой движущийся заряд .
  • Взаимодействие зарядов в вакууме.

В Международной системе СИ за единицу заряда принят кулон (Кл).

Кулон – это заряд, проходящий за 1 с через поперечное сечение проводника при силе тока 1 А. Единица силы тока (Ампер) в СИ является наряду с единицами длины, времени и массы основной единицей измерения.

ЗаконыФормулы Физика Теория Электричество Закон

Заряженный шарик приводят в соприкосновение с точно таким же незаряженным шариком. Находясь на расстоянии \( r = 15 \) см, шарики отталкиваются с силой \( F = 1 \) мН. Каков был первоначальный заряд заряженного шарика?

При соприкосновении заряд разделится ровно пополам (шарики одинаковые).По данной силе взаимодействия можем определить заряды шариков после соприкосновения (не забудем, что все величины надо представить в единицах СИ – \( F = 10{-3} \) Н, \( r = 0.15 \) м):

\( F = \dfrac{k\cdot q2}{r2} , q2 = \dfrac{F\cdot r2}{k} \)

\( k=\dfrac{1}{4\cdot \pi \cdot \varepsilon _0} = 9\cdot 109 \)

\( q=\sqrt{\dfrac{f\cdot r2}{k} } = \sqrt{\dfrac{10{-3}\cdot (0.15)2 }{9\cdot 109} } = 5\cdot 108 \)

Тогда до соприкосновения заряд заряженного шарика был вдвое больше: \( q_1=2\cdot 5\cdot 10{-8}=10{-7} \)

\( q_1=10{-7}=10\cdot 10{-6} \) Кл, или 10 мкКл.

Два одинаковых маленьких шарика массой по 0,1г каждый подвешены на непроводящих нитях длиной \( \displaystyle{\ell = 1\,{\text{м}}} \) к одной точке. После того как шарикам были сообщены одинаковые заряды \( \displaystyle{q} \) , они разошлись на расстояние \( \displaystyle{r=9\,{\text{см}}} \) . Диэлектрическая проницаемость воздуха \( \displaystyle{\varepsilon=1} \) . Определить заряды шариков.

\( \displaystyle{m=0,1\,{\text{г}}=10{-4}\,{\text{кг}}} \)

\( \displaystyle{\ell=1\,{\text{м}}} \)

\( \displaystyle{r=9\,{\text{см}}=9\cdot 10{-2}\,{\text{м}}} \)

\( \displaystyle{\varepsilon = 1} \)

\( \displaystyle{q} – ? \)

Поскольку шарики одинаковы, то на каждый шарик действуют одинаковые силы: сила тяжести \( \displaystyle{m \vec g} \), сила натяжения нити \( \displaystyle{\vec T} \)и сила кулоновского взаимодействия (отталкивания) \( \displaystyle{\vec F} \). На рисунке показаны силы, действующие на один из шариков. Поскольку шарик находится в равновесии, сумма всех сил, действующих на него, равна 0. Кроме того, сумма проекций сил на оси \( \displaystyle{OX} \) и \( \displaystyle{OY} \)равна 0:

\( \begin{equation} {{\mbox{на ось }} {OX} : \atop { \mbox{ на ось }} {OY} : }\quad \left\{\begin{array}{ll} F-T\sin{\alpha} & =0 \\ T\cos{\alpha}-mg & =0 \end{array}\right. \quad{\text{или}}\quad \left\{\begin{array}{ll} T\sin{\alpha} & =F \\ T\cos{\alpha} & = mg \end{array}\right. \end{equation} \)

Решим совместно эти уравнения. Разделив первое равенство почленно на второе, получим:

\( \begin{equation} {\mbox{tg}\,}= {F\over mg}\,. \end{equation} \)

Так как угол \( \displaystyle{\alpha} \) мал, то

\( \begin{equation} {\mbox{tg}\,}\approx\sin{\alpha}={r\over 2\ell}\,. \end{equation} \)

Тогда выражение примет вид:

\( \begin{equation} {r\over 2\ell}={F\over mg}\,. \end{equation} \)

Сила \( \displaystyle{F} \)по закону Кулона равна: \( \displaystyle{F=k{q2\over\varepsilon r2}} \). Подставим значение \( \displaystyle{F} \)в выражение (52):

\( \begin{equation} {r\over 2\ell}={kq2\over\varepsilon r2 mg}\,, \end{equation} \)

откуда выразим в общем виде искомый заряд:

\( \begin{equation} q=r\sqrt{r\varepsilon mg\over 2k\ell}\,. \end{equation} \)

После подстановки численных значений будем иметь:

\( \begin{equation} q= 9\cdot 10{-2}\sqrt{9\cdot 10{-2}\cdot 1 \cdot 10{-4}\cdot 9,8\over 2\cdot 9\cdot 109\cdot 1}\, {{\text{Кл}}}=6.36\cdot 10{-9}\, {{\text{Кл}}}\,. \end{equation} \)

Предлагается самостоятельно проверить размерность для расчетной формулы .

Ответ: \( \displaystyle{q=6,36\cdot 10{-9}\,{\text{Кл}}\,.} \)

\( \displaystyle{q=6,36\cdot 10{-9}\,{\text{Кл}}\,.} \)

Какую работу надо совершить, чтобы перенести точечный заряд \( \displaystyle{q=6\,{\text{нКл}}} \) из бесконечности в точку, находящуюся на расстоянии \( \displaystyle{\ell = 10\,{\text{см}}} \) от поверхности металлического шарика, потенциал которого \( \displaystyle{\varphi_{\text{ш}}=200\,{\text{В}}} \), а радиус \( \displaystyle{R = 2\,{\text{см}}} \)? Шарик находится в воздухе (считать \( \displaystyle{\varepsilon=1} \)). \( \displaystyle{q=6\,{\text{нКл}}=6\cdot 10{-9}\,{\text{Кл}}} \)\( \displaystyle{\ell=10\,{\text{см}}} \)\( \displaystyle{\varphi_{\text{ш}}=200\,{\text{В}}} \)\( \displaystyle{R=2\,{\text{см}}} \) \( \displaystyle{\varepsilon = 1} \) \( \displaystyle{A} \) – ?

Работа, которую необходимо совершить, чтобы перенести заряд из точки с потенциалом \( \displaystyle{\varphi_1} \) в точку с потенциалом \( \displaystyle{\varphi_2} \) , равна изменению потенциальной энергии точечного заряда, взятому с обратным знаком:

\( \begin{equation} A=-\Delta W_n\,. \end{equation} \)  

Известно, что \( \displaystyle{A=-q(\varphi_2-\varphi_1) } \) или

\( \begin{equation} A=q(\varphi_1-\varphi_2) \,. \end{equation} \)  

Поскольку точечный заряд первоначально находится на бесконечности, то потенциал в этой точке поля равен 0: \( \displaystyle{\varphi_1=0} \) .

Определим потенциал в конечной точке, то есть \( \displaystyle{\varphi_2} \) .

Пусть \( \displaystyle{Q_{\text{ш}}} \) – заряд шарика. По условию задачи потенциал шарика известен (\( \displaystyle{\varphi_{\text{ш}}=200\,{\text{В}}} \) ) , тогда:

\( \begin{equation} \varphi_{\text{ш}}={Q_{\text{ш}}\over 4\pi\varepsilon_o\varepsilon R}\,, \end{equation} \)  

\( \begin{equation} {\text{откуда}}\quad Q_{\text{ш}}=\varphi_{\text{ш}}\cdot 4\pi\varepsilon_o\varepsilon R\,. \end{equation} \)  

Значение потенциала поля в конечной точке с учетом :

\( \begin{equation} \varphi_2={Q_{\text{ш}}\over 4\pi\varepsilon_o\varepsilon(R+\ell) }= {\varphi_{\text{ш}}R\over (R+\ell) }\,. \end{equation} \)  

Подставим в выражение значение \( \displaystyle{\varphi_1} \) и \( \displaystyle{\varphi_2} \) , после чего получим искомую работу:

\( \begin{equation} A=-q{\varphi_{\text{ш}}R\over (R+\ell) }\,. \end{equation} \)  

В результате расчетов получим: \( \displaystyle{A=-2\cdot 10{-7}\,{\text{Дж}}} \) .

Знак “\( \displaystyle{-} \) ” показывает, что работа производится против сил электростатического поля, при этом энергия заряда увеличивается.

\( \displaystyle{A=-2\cdot 10{-7}\,{\text{Дж}}} \) .

Три шарика соединены между собой одинаковыми резиновыми шнурами так, что получился правильный треугольник. Система лежит на гладком горизонтальном столе. Какие одинаковые заряды надо сообщить шарикам, чтобы площадь треугольника увеличилась в 4 раза? Коэффициент жесткости каждого шнура \( k \), начальная длина \( l \).

Площадь изменяется пропорционально квадрату коэффициента подобия, поэтому, если площадь выросла вчетверо, то, следовательно, длина шнура увеличилась вдвое: \( l_1=2 \cdot l \) .

Тогда модуль силы взаимодействия между соседними зарядами равен:

\( F = \dfrac{k\cdot q2}{l{2}_{1}} =\Delta l\cdot k_{pr} \)

Причем удлинение шнура равно: \( \Delta l = l \).

Откуда величина заряда равна:

\( q=\sqrt{\frac{4\cdot l3\cdot k_{pr}}{k} } \)

\( q=2\cdot l\cdot \sqrt{\frac{l\cdot k_{pr}}{k} } \)

\( q=2\cdot l\cdot \sqrt{\frac{l\cdot k_{pr}}{k} } \)

Не можешь написать работу сам?

Доверь её нашим специалистам

от 100 р.стоимость заказа

Если материал понравился Вам и оказался для Вас полезным, поделитесь им со своими друзьями!

  • Сила Ампера – сила, действующая на проводник тока, находящийся в магнитном поле и равная произведению силы тока в проводнике, модуля вектора индукции магнитного поля, длины проводника и синуса угла между вектором магнитного поля и направлением тока в проводнике.
  • Сила упругости, возникающая в теле при его деформации, прямо пропорциональна величине этой деформации.
  • Парциальное давление каждого газа, входящего в состав смеси, это давление, которое создавалось бы той же массой данного газа, если он будет занимать весь объем смеси при той же температуре.
  • Давление на поверхность жидкости, произведенное внешними силами, передается жидкостью одинаково во всех направлениях.
  • Закон всемирного тяготенияМежду любыми материальными точками существует сила взаимного притяжения, прямо пропорциональная произведению их масс и обратно пропорциональная квадрату расстояния между ними, действующая по линии, соединяющей эти точки
  • 1 Ампер это сила тока, при которой через проводник проходит заряд 1 Кл за 1 сек.
  • 1 Вольт равен электрическому напряжению, вызывающему в электрической цепи постоянный ток силой 1 ампер при мощности 1 ватт.
  • Парциальное давление каждого газа, входящего в состав смеси, это давление, которое создавалось бы той же массой данного газа, если он будет занимать весь объем смеси при той же температуре.
  • Основные тригонометрические тождестваТригонометрические тождества — это равенства, которые устанавливают связь между синусом, косинусом, тангенсом и котангенсом одного угла, которая позволяет находить любую из данных функций при условии, что будет известна какая-либо другая.
  • Лошадиная сила — единица мощности. Она примерно равна значению в 75 кгс/м/с., что соответствует усилию, которое необходимо затратить для подъёма груза в 75 кг. на высоту одно метра за одну секунду.
  • Перевод чисел из одной системы счисления в любую другую онлайнКалькулятор переводит числа из одной системы счисления в любую другую.

Источник: https://calcsbox.com/post/zakon-kulona.html

Закон Кулона простым языком: формулировка, формула, применение

Электрический заряд. Закон Кулона

Взаимодействия электрических зарядов исследовали ещё до Шарля Кулона. В частности, английский физик Кавендиш в своих исследованиях пришёл к выводу, что неподвижные заряды при взаимодействии подчиняются определённому закону. Однако он не обнародовал своих выводов. Повторно закон Кулона был открыт французским физиком, именем которого был назван этот фундаментальный закон.

Рисунок 1. Закон Кулона

История открытия

Эксперименты с заряженными частицами проводили много физиков:

  • Г. В. Рихман;
  • профессор физики Ф. Эпинус;
  • Д. Бернулли;
  • Пристли;
  • Джон Робисон и многие другие.

Все эти учёные очень близко подошли к открытию закона, но никому из них не удалось математически обосновать свои догадки. Несомненно, они наблюдали взаимодействие заряженных шариков, но установить закономерность в этом процессе было непросто.

Кулон проводил тщательные измерения сил взаимодействия. Для этого он даже сконструировал уникальный прибор – крутильные весы (см. Рис. 2).

Рис. 2. Крутильные весы

У придуманных Кулоном весов была чрезвычайно высокая чувствительность. Прибор реагировал на силы порядка 10-9 Н. Коромысло весов, под действием этой крошечной силы, поворачивалось на 1º. Экспериментатор мог измерять угол поворота, а значит и приложенную силу, пользуясь точной шкалой.

Благодаря гениальной догадке учёного, идея которой состояла в том, что при соприкосновении заряженного и незаряженного шариков, электрический заряд делился между ними поровну. На это сразу реагировали крутильные весы, коромысло которых поворачивалось на определённый угол. Заземляя неподвижный шарик, Кулон мог нейтрализовать на нём полученный заряд.

Таким образом, учёный смог уменьшать первоначальный заряд подвижного шарика кратное число раз. Измеряя угол отклонения после каждого деления заряда, Кулон увидел закономерность в действии отталкивающей силы, что помогло ему сформулировать свой знаменитый закон.

Формулировка

Кулон исследовал взаимодействие между шариками, ничтожно малых размеров, по сравнению с расстояниями между ними. В физике такие заряженные тела называются точечными. Другими словами, под определение точечных зарядов подпадают такие заряженные тела, если их размерами, в условиях конкретного эксперимента, можно пренебречь.

Для точечных зарядов справедливо утверждение: Силы взаимодействия между ними направлены вдоль линии, проходящей через центры заряженных тел. Абсолютная величина каждой силы прямо пропорциональна произведению зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними (см. рис. 3). Данную зависимость можно выразить формулой: |F1|=|F2|=(ke*q1*q2) / r2

Рис. 3. Взаимодействие точечных зарядов

Остаётся добавить, что векторы сил направлены друг к другу для разноименных зарядов, и противоположно, в случае с одноимёнными зарядами. То есть между разноимёнными зарядами действует электрическое притяжение, а между одноимёнными – отталкивание.

Таким образом, закон Кулона описывает взаимодействие между двумя электрическими зарядами, которое лежит в основе всех электромагнитных взаимодействий.

Для того чтобы действовал сформулированный выше закон, необходимо выполнение следующий условий:

  • соблюдение точечности зарядов;
  • неподвижность заряженных тел;
  • закон выражает зависимости между зарядами в вакууме.

Границы применения

Описанная выше закономерность при определённых условиях применима для описания процессов квантовой механики. Правда, закон Кулона формулируется без понятия силы. Вместо силы используется понятие потенциальной энергии кулоновского взаимодействия. Закономерность получена путём обобщения экспериментальных данных.

Следует отметить, что на сверхмалых расстояниях (при взаимодействиях элементарных частиц) порядка 10 — 18 м проявляются электрослабые эффекты. В этих случаях закон Кулона, строго говоря, уже не соблюдается. Формулу можно применять с учётом поправок.

Нарушение закона Кулона наблюдается и в сильных электромагнитных полях (порядка 1018 В/м), например поблизости магнитаров (тип электронных звёзд). В такой среде кулоновский потенциал уменьшается не обратно пропорционально, а экспоненциально.

Кулоновские силы подпадают под действие третьего закона Ньютона: F1 = – F2. Они используются для описания законов всемирного тяготения. В этом случае формула приобретает вид: F = ( m1* m2 ) / r2 , где m1 и m2 – массы взаимодействующих тел, а r – расстояние между ними.

Закон Кулона стал первым открытым количественным фундаментальным законом, обоснованным математически. Его значение в исследованиях электромагнитных явлений трудно переоценить. С момента открытия и обнародования закона Кулона началась эра изучения электромагнетизма, имеющего огромное значение в современной жизни.

Коэффициент k

Формула содержит коэффициент пропорциональности k, который для согласования соразмерностей в международной системе СИ. В этой системе единицей измерения заряда принято называть кулоном (Кл) – заряд, проходящий за 1 секунду сквозь проводник, где силы тока составляет 1 А.

Коэффициент k в СИ выражается следующим образом: k = 1/4πε0, где ε0 – электрическая постоянная:   ε0 = 8,85 ∙10-12 Кл2/Н∙м2. Выполнив несложные вычисления, мы находим: k = 9×109 H*м2 / Кл2. В метрической системе СГС k =1.

На основании экспериментов было установлено, что кулоновские силы, как и принцип суперпозиции электрических полей, в законах электростатики описывают уравнения Максвелла.

Если между собой взаимодействуют несколько заряженных тел, то в замкнутой системе результирующая сила этого взаимодействия равняется векторной сумме всех заряженных тел. В такой системе электрические заряды не исчезают – они передаются от тела к телу.

Закон Кулона в диэлектриках

Выше было упомянуто, что формула, определяющая зависимость силы от величины точечных зарядов и расстояния между ними, справедлива для вакуума. В среде сила взаимодействия уменьшается благодаря явлению поляризации.

В однородной изотопной среде уменьшение силы пропорционально определённой величине, характерной для данной среды. Эту величину называют диэлектрической постоянной. Другое название –  диэлектрическая проницаемость. Обозначают её символом ε.

В этом случае k = 1/4πεε0.

Диэлектрическая постоянная воздуха очень близка к 1. Поэтому закон Кулона в воздушном пространстве проявляется так же как в вакууме.

Интересен тот факт, что диэлектрики могут накапливать электрические заряды, которые образуют электрическое поле. Проводники лишены такого свойства, так как заряды, попадающие на проводник, практически сразу нейтрализуются. Для поддержания электрического поля в проводнике необходимо непрерывно подавать на него заряженные частицы, образуя замкнутую цепь.

Применение на практике

Вся современная электротехника построена на принципах взаимодействия кулоновских сил.  Благодаря открытию Клоном этого фундаментального закона развилась целая наука, изучающая электромагнитные взаимодействия. Понятие термина электрического поля также базируется на знаниях кулоновских сил. Доказано, что электрическое поле неразрывно связано с зарядами элементарных частиц.

Грозовые облака не что иное как скопление электрических зарядов. Они притягивают к себе индуцированные заряды земли, в результате чего появляется молния. Это открытие позволило создавать эффективные молниеотводы для защиты зданий и электротехнических сооружений.

На базе электростатики появилось много изобретений:

  • конденсатор;
  • различные диэлектрики;
  • антистатические материалы для защиты чувствительных электронных деталей;
  • защитная одежда для работников электронной промышленности и многое другое.

На законе Кулона базируется работа ускорителей заряженных частиц, в частности, функционирование Большого адронного коллайдера (см. Рис. 4).

Рис. 4. Большой адронный коллайдер

Ускорение заряженных частиц до околосветовых скоростей происходит под действием электромагнитного поля, создаваемого катушками, расположенными вдоль трассы.

От столкновения распадаются элементарные частицы, следы которых фиксируются электронными приборами.

На основании этих фотографий, применяя закон Кулона, учёные делают выводы о строении элементарных кирпичиков материи.

Использованная литература:

  1. Сивухин Д. В. Общий курс физики. — М.: Физматлит; Изд-во МФТИ, 2004.
  2. Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. Теоретическая физика: Учеб. пособ.: Для вузов.
  3. Ландсберг Г. С. Элементарный учебник физики. Том II. Электричество и магнетизм.

по теме

Источник: https://www.asutpp.ru/zakon-kulona.html

Электрический заряд. Взаимодействие электрических зарядов. Закон Кулона

Электрический заряд. Закон Кулона

Знакомство с явлениями электростатики лучше начинать в сухую погоду. Расчесывая волосы, снимая свитер можно наблюдать в темноте проскакивание крошечных искр и слабое потрескивание. Если потереть пластиковую расческу о волосы и поднести ее к мелким кусочкам бумаги, то они начнут притягиваться к расческе.

Электризация – физическое явление, которое приводит к возникновению взаимодействия (притяжения или отталкивания) двух тел, например, при приведении их в плотный контакт или при трении (стекло и кожа, плексиглас и шерсть, резина и шерсть). Обнаружено в Древней Греции при трении янтаря (по-гречески – «электрон») о шерсть.

Взаимодействие наэлектризованных тел в состоянии покоя называется электростатическим взаимодействием.

Опыты по взаимодействию заряженных тел показали, что в природе существуют два вида заряда. Б. Франклин назвал один из них положительным, а другой – отрицательным. Разноименные заряды притягиваются, а одноименные – отталкиваются.

Различают следующие виды электризации:

  1. Трением.
  2. Соприкосновением.
  3. Через влияние
  4. При облучении.

При электризации тел трением всегда одновременно заряжаются оба участвующих в электризации тела (например, стекло и шелк). Причем одно из них приобретает положительный заряд, а другое – отрицательный. Если до электризации оба тела не были заряжены, то величина положительного заряда первого тела оказывается в точности равной величине отрицательного заряда второго тела.

Современная теория объясняет электризацию твердых тел как перемещение электронов, входящих в состав атомов любых тел, с одного тела на другое.

В состав ядра входят положительно заряженные элементарные частицы – протоны. На теле, приобретающем отрицательный заряд, образуется избыточное число электронов по сравнению с числом протонов, а на положительно заряженном теле оказывается недостаток электронов по сравнению с числом протонов.

Электрический заряд – характеристика заряженного тела. Минимальный заряд обозначается буквой e и равен 1,6·10–19 Кл. Такой заряд имеют электрон и протон. Первые, наиболее точные определения заряда электрона были выполнены американским ученым Р. Милликеном и русским физиком А. Ф. Иоффе.

Для обнаружения и измерения электрического заряда используют электрометр. По углу отклонения стрелки модно судить о величине заряда.

Уменьшение числа электронов в одном теле равно увеличению их числа в другом. При этом полный заряд такой системы не изменяется, оставаясь равным нулю.

Сохранение числа протонов и электронов на соприкасающихся телах объясняет подтверждающийся опытом закон сохранения заряда: в электрически замкнутой системе алгебраическая сумма зарядов не меняется.

Количественное исследование взаимодействия заряженных тел осуществил в 1785 году французский физик Ш. Кулон (1736-1806). Он исследовал взаимодействие небольших заряженных металлических шариков при помощи крутильных весов.

На тонкой проволоке была подвешена стеклянная палочка с двумя металлическими шариками на концах. Одному шарику сообщали электрический заряд. Рядом с ним помещали неподвижный заряженный таким же по знаку зарядом шар. По углу поворота стеклянной палочки Ш.Кулон определял силу взаимодействия. Расстояние измерялось между центрами шаров.

Модуль силы взаимодействия F12 между двумя неподвижными точечными электрическими зарядами q1 и q2 в вакууме пропорционален произведению модулей этих зарядов и обратно пропорционален квадрату расстояния R12 между ними.

Точечный заряд – модель реальных заряженных тел,  размер которых значительно меньше, чем расстояние между ними.

Если имеется система точечных зарядов, то сила, действующая на каждый из них, определяется как векторная сумма сил, действующих на данный заряд со стороны всех других зарядов системы. При этом сила взаимодействия данного заряда с каким-то конкретным зарядом рассчитывается так, как будто других зарядов нет.

Сила взаимодействия точечных зарядов зависит от свойств среды, в которой они находятся:

Свойства среды определяет диэлектрическая проницаемость среды ε.

Границы применимости закона Кулона:

  • для точечных зарядов
  • для неподвижных зарядов
  • справедлив до расстояний не меньше 10-15 м

Применение электризации

1.Электрофильтры.

Для очистки воздуха от пыли, например,  при производстве цемента, очистки частиц дыма на ТЭС используют электрофильтры. Наэлектризованные частицы пыли притягиваются к заряженному элементу внутри фильтра.

2. Равномерное распыление краски краскопультом.

Электростатическая покраска используется для покрытия металлических поверхностей, например, в покрасочном цехе автомобильных кузовов. Для равномерного распыления краски на краскопульт подают отрицательный заряд, а  кузову автомобиля сообщают положительный заряд. Отрицательно заряженные капельки краски равномерно распределяются по поверхности кузова, образуя прочный, ровный слой.

3. Изготовление наждачной бумаги.

4. Генератор высокого напряжения Ван де Граафа.

Электризация нашла практическое применение в науке и технике. До недавнего времени в ядерных исследованиях на ускорителях элементарных частиц широко применялся генератор Ван-дер-Ваальса.

С его помощью удавалось генерировать напряжение до нескольких миллионов вольт. Генератор разработан в 1929 году американским физиком Робертом Ван-дер-Ваальсом. Используется электризация трением.

Заряд переносится на движущейся ленте и многократно снимается с нее на полый металлический проводник.

5. Очистка зерна.

6. Дактилоскопия.

7. Лазерный принтер и ксерокс.

Электризация тел при облучении нашла применение в ксерокопирование и лазерном принтере.

8. Медицина.

При работе люстры Чижевского образуется большое количество отрицательных ионов кислорода. При вдыхании воздуха ионы кислорода отдают электрические заряды эритроцитам крови, а затем – клеткам. Вследствие чего улучшается обмен веществ в организме.

Учет электризации

  1. Перевозка топлива.
  2. Электризация нитей на ткацкой фабрике.
  3. Электризация самолета во время полета.
  4. Электризация одежды.

Опорный конспект:

Источник: https://fizclass.ru/elektricheskij-zaryad-vzaimodejstvie-elektricheskix-zaryadov-zakon-kulona/

Электрический заряд. Закон Кулона

Электрический заряд. Закон Кулона
Определение 1

Многие из окружающих нас физических явлений, происходящих в природе, не находят объяснения в законах механики, термодинамики и молекулярно-кинетической теории.

Такие явления основываются на влиянии сил, действующих между телами на расстоянии и независимых от масс взаимодействующих тел, что сразу отрицает их возможную гравитационную природу.

Данные силы называются электромагнитными.

Еще древние греки имели некоторое представление об электромагнитных силах. Однако только в конце XVIII века началось систематическое, количественное изучение физических явлений, связанных с электромагнитным взаимодействием тел.

Определение 2

Благодаря кропотливому труду большого количества ученых в XIX веке было завершено создание абсолютно новой стройной науки, занимающейся изучением магнитных и электрических явлений. Так один из важнейших разделов физики, получил название электродинамики.

Создаваемые электрическими зарядами и токами электрические и магнитные поля стали ее основными объектами изучения.

Принцип суперпозиции

На рисунке 1.1.4 на примере электростатического взаимодействия трёх заряженных тел поясняется принцип суперпозиции.

Рисунок 1.1.4. Принцип суперпозиции электростатических сил F→=F21→+F31→; F2→=F12→+F32→; F3→=F13→+F23→.

Рисунок 1.1.5. Модель взаимодействия точечных зарядов.

Несмотря на то, что принцип суперпозиции является фундаментальным законом природы, его использование требует некоторой осторожности, когда он применяется по отношению к взаимодействию заряженных тел конечных размеров.

Примером таковых могут послужить два проводящих заряженных шара 1 и 2.

Если к подобной системе, состоящей из двух обладающих зарядом шаров поднести еще один заряженный шар, то взаимодействие между 1 и 2 претерпит изменения по причине перераспределения зарядов.

Принцип суперпозиции предполагает, что силы электростатического взаимодействия между двумя любыми телами не зависят от наличия других обладающих зарядом тел, при условии, что распределение зарядов фиксировано (задано).

Если вы заметили ошибку в тексте, пожалуйста, выделите её и нажмите Ctrl+Enter

Источник: https://Zaochnik.com/spravochnik/fizika/elektricheskoe-pole/elektricheskij-zarjad-zakon-kulona/

Vse-referaty
Добавить комментарий