0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Природа электрического заряда

Природа электрического заряда

Проведем следующие опыты:

Опыт 1. Металлический стержень укреплен на диэлектрической подставке (изоляторе), а к его концам присоединены два электроскопа.
Натираем фланелью каучуковую палочку и соприкасаем ее с металлом. Листочки обоих электроскопов разойдутся в разные стороны и останутся в таком же положении даже после того, как мы уберем палочку в сторону.

Объяснение: Натирая каучуковую палочку, мы добавили ей энергию. Значит, объемная плотность энергии (проще – давление) в палочке возросла.
Когда мы коснулись палочкой металлического стержня, то избыток энергии от палочки перешел к металлу и далее к листочкам электроскопов. Здесь следует заметить, что металл (как и листочки электроскопа) является хорошим проводником для потока энергии.
Теперь в листочках электроскопов плотность энергии (давление) больше, чем в окружающем их пространстве. Стремясь устранить эту разницу, листочки расходятся в разные стороны.
Понятно, что дополнительная энергия в металле и листочках электроскопов сохраняется и после того, как мы уберем каучуковую палочку в сторону.

Дополнение: Если натереть стеклянную палочку кошачьим мехом, то мы отберем у нее часть энергии. Значит, объемная плотность энергии в палочке уменьшилась.
Далее все происходит аналогично, но с обратным знаком: недостаток энергии, при касании палочки с металлом, переходит к листочкам электроскопов и они тоже расходятся в разные стороны, пытаясь устранить разницу давлений в себе и окружающем их пространстве.

Опыт 2.Теперь мы лишь поднесем предварительно натертую фланелью каучуковую палочку к металлическому стержню, не касаясь его.
Листочки обоих электроскопов и в этом случае разойдутся в разные стороны, но возвратятся в свое нормальное положение, как только мы удалим палочку от металла.

Объяснение: Избыток энергии в каучуковой палочке создает вокруг нее потенциальное поле. Напряженность этого поля убывает с увеличением расстояния от палочки в квадратичной зависимости. Следовательно, ближний к палочке конец металлического стержня взаимодействует с более сильным полем, чем противоположный.
Чтобы уравнять потенциальное поле вокруг металлического стержня, часть энергии от его ближнего к палочке конца перетекает к противоположному. В результате плотность энергии в листочках ближайшего к палочке электроскопа ниже, чем в окружающем их пространстве, а удаленного – выше.
Когда каучуковую палочку убираем от металлического стержня, то плотность энергии в нем и листочках электроскопов выравнивается.

Выводы: Объемная плотность энергии (давление) в замкнутом пространстве относительно окружающего пространства определяет величину электрического заряда. Повышенная плотность энергии определяет отрицательный заряд (так уж принято), а пониженная – положительный заряд.
Разноименные заряды притягиваются друг к другу, а одноименные – отталкиваются.

Объёмная плотность энергии потенциального поля определяется из уравнения:

P = h w Z 2 /4πR 4 Дж/м 3

где: h w = m e c 2 r e = — 2,307*10 -28 Дж*м – квант момента энергии поля;
m e = 9,1094*10 -31 кг – квант массы поля;
с 2 = – 8,9876*10 16 Дж/кг – минимально (по модулю – максимально) возможный гравитационный потенциал;
r e = 2,818*10 -15 м – квант гравитационного радиуса;
Z = q/e – число элементарных электрических зарядов;
е = 1,602*10 -19 Кл – элементарный электрический заряд;
R – расстояние от центра источника поля до данной точки поля.

Любая теория должна приводить нас к новым фактам, экспериментам и явлениям. К примеру, из объяснения опыта 2 следует, что плотность энергии в металлическом стержне не должна восстановиться после удаления каучуковой палочки, если до этого мы разделим стержень на две части.

Эксперимент подтверждает это теоретическое предсказание. Листочки электроскопов в этом случае действительно остаются разведенными и после удаления каучуковой палочки.

Пивоваров Валерий Иванович
Кишинев, 2001 год.

Природа электрического заряда

Словарь терминов

  • Антигравитация
  • Взаимодействия
  • Глобальное поле
  • Гравитация
  • Импульс
  • Инерция
  • Магнитное поле
  • Относительное движение
  • Полевая механика
  • Природа массы
  • Пространство-время
  • Сила Лоренца
  • Силы инерции
  • Скорость света
  • Уравнение движения
  • Физический вакуум
  • Электромагнитные волны
  • Элементарные частицы
  • Энергия

Все термины (142) >>

Методология ПФ

Современная физика не объясняет «Природу заряда», считая это свойство «врожденным» свойством физических тел. Примечательно, что в полевой физике появляются основания, позволяющие понять природу заряда.

Так полевая физика позволяет получить уравнения Максвелла по-новому, исходя из принципа непрерывности и принципа близкодействия. Примечательно, что при этом все известные электромагнитные величины оказываются следствием всего двух величин полевой физики: – плотности полевой среды и интенсивности полевой оболочки. Причем интенсивность полевой оболочки частицы оказывается в точности соответствующей классическому понятию электрического заряда. Это обстоятельство и позволяет прийти к объяснению природы заряда.

Согласно модели полевых оболочек, заряженная частица представляет собой связанное состояние частицы как таковой и ее полевой оболочки. При этом соответствующая классическому понятию заряда интенсивность полевой оболочки характеризует количество полевой среды, которое связано с данной частицей. В зависимости от интенсивности своей полевой оболочки частица в большей или меньшей степени взаимодействует посредством полевой среды с другими такими же частицами.

В модели единой полевой оболочки двух частиц величина интенсивности характеризует насыщенность общей полевой среды, посредством которой взаимодействуют частицы. В этом случае интенсивность соответствует классической величине произведения зарядов взаимодействующих частиц. Но не зависимо от используемой модели полевая физика приводит к важному пониманию в отношении природы заряда.

Природа заряда не связана со свойствами самих частиц и не является их внутренним «врожденным» свойством. Это характеристика связанной с частицами полевой среды (единой полевой среды или отдельных полевых оболочек), посредством которой они взаимодействуют. В зависимости от интенсивности (насыщенности) этой полевой среды взаимодействие будет более интенсивным или менее интенсивным, что и выражается в большей или меньшей степени участия частицы или тела в этом взаимодействии. В современной физике для описания этого обстоятельства как раз и используется понятие заряда.

Природа электрического заряда

Для выяснения природы носителей тока в металлах был поставлен ряд опытов. Опыт Рикке. В 1901 г. Рикке взял три цилиндра два медных и один алюминиевый с тщательно отшлифованными торцами. После взвешивания цилиндры были сложены вместе в последовательности медь — алюминий — медь. Через такой составной проводник непрерывно в течение года пропускался ток одного и того же направления.

За все время через цилиндры прошел заряд, равный . Взвешивание показало, что пропускание тока не оказало на массу цилиндров никакого влияния. При исследовании соприкасавшихся торцов под микроскопом не было обнаружено проникновение одного металла в другой.

Результаты опыта свидетельствовали о том, что перенос заряда в металлах осуществляется не атомами, а какими-то частицами, входящими в состав всех металлов. Чтобы отождествить носители тока в металлах с электронами, нужно было определить знак и числовое значение удельного заряда носителей.

Если в металлах имеются способные перемещаться заряженные частицы, то при торможении металлического проводника эти частицы должны некоторое время продолжать двигаться по инерции, в результате чего в проводнике возникает импульс тока и будет перенесен некоторый заряд.
Пусть проводник движется вначале со скоростью v (рис. 4.7).

Начнем тормозить его с ускорением w. Продолжая двигаться по инерции, носители тока приобретают относительно проводника ускорение.

Такое же ускорение можно сообщить носителям в неподвижном проводнике, если создать в нем электрическое поле напряженностью , т. е. приложить к концам проводника разность потенциалов

.

где m и — масса и заряд носителя; l — длина проводника. В этом случае по проводнику потечет ток силы , где R — сопротивление проводника (I считается положительным, если ток течет в направлении движения проводника).

Следовательно, за время dt через каждое сечение проводника пройдет заряд

.

Заряд, прошедший за все время торможения, равен

.

(заряд положителен, если он переносится в направлении движения проводника).

Таким образом, измерив l, v и R, а также заряд q, проходящий по цепи при торможении проводника, можно найти удельный заряд носителей. Направление импульса тока даст знак носителей.

Количественный результат был получен Толменом и Стюартом в 1916 г. Катушка из провода длиной 500 м приводилась во вращение, при котором линейная скорость витков составляла . Затем катушка резко тормозилась, и с помощью баллистического гальванометра измерялся заряд, протекавший в цепи за время торможения. Вычисленное значение удельного заряда носителей получалось очень близким к для электронов. Таким образом, было экспериментально доказано, что носителями тока в металлах являются электроны.

Существование в металлах свободных электронов можно объяснить тем, что при образовании кристаллической решетки от атомов металла отщепляются слабее всего связанные (валентные) электроны, которые становятся «коллективной» собственностью всего объема металла. Число атомов в единице объема равно , где — плотность металла; М — масса моля; — число Авогадро. Для металлов значения заключены в пределах от до . Следовательно, для концентрации свободных электронов получаются значения порядка .

Большая Энциклопедия Нефти и Газа

Природа — электрический заряд

Природа электрического заряда ( электричества) долго оставалась неизвестной. Электричество уже нашло многочисленные практические применения, но что такое электрический заряд, движение которого образует электрический ток, оставалось неясным. [1]

В зависимости от природы подвижных электрических зарядов различают П.э. с металлической или электронной проводимостью, проводники с электролитической или ионной проводимостью и полупроводники с электронной проводимостью или дырочной проводимостью. [2]

Электрические шумы обусловлены атомистической природой электрического заряда . Они возникают как внутри электронных ламп, так и в тех сопротивлениях, которые входят в схему усилителя. [3]

Электрические шумы обусловлены атомарной природой электрического заряда . Они возникают как внутри электронных ламп, так и в тех сопротивлениях, которые входят в схему усилителя. [4]

Электрические шумы обусловлены атомистической природой электрического заряда . Они возникают как внутри электронных ламп, так и в тех сопротивлениях, которые входят в схему усилителя. [5]

Эта зависимость позволяет нарисовать общую картину электростатического поля вокруг зарядов при простейшем их размещении. Атомистическая природа электрического заряда раскрывается через количественное рассмотрение одной разновидности знаменитого опыта Милликена с масляной каплей. Постоянная в законе Кулона k устанавливается посредством опыта, подобного эксперименту Милликена, рассматриваемому в надлежащем масштабе. Наконец, здесь делается вывод о сохранении заряда и о том, что все обнаруженные элементарные частицы несут один положительный, один отрицательный или нулевой элементарный заряд. [6]

Эти хаотические колебания тока, или, как их называют, флуктуации тока, связаны с его дискретным строением, с корпускулярной природой электрических зарядов. Флуктуации тока будут существовать в любых проводниках и при прохождении тока через вакуум, и так как причина их лежит в самой природе электрических зарядов , то они принципиально не могут быть полностью устранены. [8]

Каждая новая перспектива, открывающаяся перед нашей теорией, обязана одному принципиальному утверждению. Геометрия на малых расстояниях очень сильно флуктуирует. Эта идея открывает принципиально новые пути исследования природы электрического заряда , вакуума и элементарных частиц. [9]

Достаточно обратить внимание на тот факт, что ни механика, ни молекулярно-кинетическая теория, ни термодинамика ничего не говорят о природе сил, которые связывают отдельные атомы в молекулы, удерживают атомы и молекулы вещества в твердом состоянии на определенных расстояниях друг от друга. Законы взаимодействия атомов и молекул удается понять и объяснить на основе представления о том, что в природе существуют электрические заряды. Самое простое и повседневное явление, в котором обнаруживается факт существования в природе электрических зарядов — это электризация тел при соприкосновении. [10]

Читать еще:  Фитинги ПНД для водопровода; особенности и виды соединений

Наиболее интересна теория Мак Киннея, по которой все бактерии при определенных условиях среды обладают способностью к флокуляции. Основным фактором, вызывающим фло-куляцию, Мак Кинней считает изменение зарядов на поверхности бактериальных клеток и недостаток энергии для противодействия их взаимной силе притяжения. Исследователь допускает, что наличие капсул и слизи также имеет значение, так как их химический состав определяет природу электрического заряда . [11]

Атомы любого вещества построены из еще более мелких частиц: электронов с отрицательным зарядом — е, протонов с положительным зарядом е и нейтронов, не имеющих электрического заряда. Протоны и нейтроны входят в состав ядер всех атомов, кроме водорода Н, в ядре атома которого имеется лишь один протон. Заряд электрона, обозначаемый — е, по числовому значению в точности равен заряду протона. Из всех встречающихся в природе электрических зарядов это — наименьший по числовому значению, присущий всем заряженным элементарным частицам и называемый элементарным зарядом. Экспериментально доказано, что любой электрический заряд кратен элементарному. Масса электрона равна 9ЫО-31 кг. Она в 1840 раз меньше массы протона, которая равна примерно массе атома водорода. Тело, : остоящее из нейтральных атомов, тоже нейтрально. [12]

Атомы, из которых состоит вещество, построены из еще более мелких частиц: электронов, заряженных отрицательно, протонов, заряженных положительно, и нейтронов, не имеющих электрического заряда. Протоны и нейтроны входят в состав ядер атомов всех элементов, кроме водорода, в ядре атома которого имеется лишь один протон. Заряд электрона по числовой величине в точности равен заряду протона. Это наименьший из всех встречающихся в природе электрических зарядов , называемый поэтому элементарным зарядом. Опыты показывают, что любой электрический заряд численно всегда является кратным заряду электрона. Масса электрона равна 9 1 10 — 31 кг. Она в 1840 раз меньше массы протона, которая примерно равна массе атома водорода. Тело, состоящее из нейтральных атомов, тоже нейтрально. [13]

Выдвигаются первые гипотезы о роли электронов в различных физических и физико-химических явлениях и намечаются планы исследований в новом направлении. Нернст в докладе на заседании немецкого химического общества говорил: Мы заставляем ионы отлагаться на электродах, но каким образом они отдают свой заряд. Есть ли у нас средство. Какой бы ответ ни был дан на этот вопрос, придется или нет допускать заряды средств, свободные от материи, подобно свободным ионам, все равно, природа указывает нам здесь великие цели. Я хотел бы закончить указанием, что разработка этих задач приводит нас к физической задаче о металлической проводимости, физико-химическому вопросу о природе электрических зарядов сродства и к химической загадке о большой разнице между металлами и металлоидами [ 12, стр. [14]

Природа электрического заряда

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

1.1. Электрический заряд. Закон Кулона

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 или .

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 .

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 .

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 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.

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 .

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.

На основании многочисленных опытов Кулон установил следующий закон:

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 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 .

В системе СИ элементарный заряд равен:

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.

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.

Урок на тему: «Природа электричества. Взаимодействие электрических зарядов»

УРОК НА ТЕМУ: « Природа электричества. Взаимодействие электрических зарядов»

МОУ Сатинская сош, Сампурский филиал.

· развивать интерес к предмету, познавательные и творческие способности учащихся.

· сформировать понятие электрического заряда, рассмотреть взаимодействие электрических зарядов, на основе опытов сформулировать закон сохранения электрического заряда и закон Кулона;

· научить учащихся анализировать и сопоставлять, делать выводы из наблюдения опытов, высказывать свою точку зрения;

Оборудование: компьютер, проектор, экран, электрометр, эбонитовая и стеклянная палочки, электрофорная машина, бумажные султаны.

1.Изучение нового материала

Электростатика – раздел электродинамики, посвящённый изучению покоящихся электрических заряженных тел.

Электростатика изучает:

1. Понятие электрического заряда.

2. Электризация и её применение.

3. Закон сохранения электрического заряда.

4. Основной закон электростатики – закон Кулона.

Демонстрационные эксперименты:

Электризации двух тел при натирании. Учащиеся вспоминают из курса восьмого класса понятие электризации, что в электризации участвуют два тела и при этом получают разноименные заряды, равные по модулю.

Взаимодействие наэлектризованных тел. На опыте с электрофорной машиной и бумажными султанами показываю наличие двух зарядов – положительного и отрицательного. Из анализа опытов учащиеся приходят к выводу, что одноимённые заряды отталкиваются, а разноименные притягиваются.

Вводим определение эл. заряда, точечного эл. заряда, единицы измерения электрического заряда, записываем значение наименьшего отрицательного заряда – электрона и наименьшего положительного заряда – протона.

Заряд — это физическая величина, характеризующая степень электромагнитного взаимодействия. Заряд можно сообщить путём трения или соприкосновения, разделить до наименьшего значения.

Знакомятся с опытом по электризации, (.Диск «Физика, 7-11 классы» компания ФИЗИКОН — лаборатории )F08_53_01.wmv показанным с помощью проектора, и приходят к выводу, что при электризации выполняется закон сохранения электрического заряда: В замкнутой системе алгебраическая сумма зарядов всех частиц остаётся неизменной:

q=q1+q2+q3+…+qn=const

Делаем вывод, что электризация может быть и полезной — её необходимо использовать, и вредной — с ней нужно бороться.

Основной закон электростатики – закон взаимодействия двух неподвижных точечных заряженных тел. Этот закон был установлен экспериментально Шарлем Огюстеном Кулоном в 1875 году.

Читать еще:  Греческие шторы – оформление окна средиземноморским дизайном

Пользуясь изображением на экране крутильных весов, рассказываю о строении прибора. Он состоит из стеклянного сосуда высотой около 30см, закрытого стеклянной крышкой с цилиндрической стойкой высотой около 50см, в ней свободно висит кварцевая нить. Сверху нить прикреплена к головке, которую можно вращать вокруг оси цилиндра, снизу к нити подвешено коромысло. На одной его стороне находится изолированный шарик, подвергающийся электризации, с другой – маленький диск, служащий противовесом Угол поворота головки с прикреплённой к ней нитью можно отмечать с помощью указателя. Для отсчёта угла поворота коромысла на окружность цилиндра нанесены градусные деления. Опыты проводились следующим образом. Через отверстие в крышке цилиндра вводили наэлектризованный шарик, тождественный шарику на коромысле. При соприкосновении шарики получали одинаковые заряды и отталкивались, при этом по градусной шкале Кулон фиксировал угол отклонения, равный 360. Далее головку с нитью закручивали в сторону, противоположную отклонению коромысла, до тех пор, пока угол не становился равным 180. Расстояние между шариками уменьшалось вдвое, между тем, как сила кручения нити возрастала в четыре раза и т. д. Отсюда Кулон заключил: «Сила взаимодействия двух небольших одинаково наэлектризованных шариков, обратно пропорциональна квадрату расстояния между центрами обоих шаров: F

Кулон нашёл простой способ изменения заряда одного из шариков в 2, 4 и более раз, соединяя его с таким же незаряженным шариком. Заряд при этом распределялся поровну между шариками, что и уменьшало исследуемый заряд в известном отношении. Новое значение силы взаимодействия при новом значении заряда определялось экспериментально, при. этом сила взаимодействия оказалась прямо пропорциональной произведению модулей зарядов: F

Опыты Кулона привели к установлению закона:

Сила взаимодействия двух неподвижных точечных заряженных тел в вакууме прямо пропорциональна произведению модулей зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.

Обсуждается значение коэффициента к, его размерность и физический смысл.

Сила взаимодействия электрических зарядов в диэлектрике:

F=k|q1||q2|ξr2

ξ– диэлектрическая проницаемость среды, это физическая величина, показывающая во сколько раз сила взаимодействия в вакууме больше, чем в среде.

Силы Кулона являются центральными, так как действуют вдоль прямой, соединяющей центры зарядов.

Раздаю памятку по решению задач на закон Кулона

Памятка по решению задач на закон Кулона.

1. Сделать схематический рисунок, на котором указать знаки зарядов и расстояния между ними.

2. Рассмотреть взаимодействие данного заряда с окружающими зарядами и телами.

3. Заменить взаимодействие зарядов и тел силами и приложить их к данному заряду.

4. Записать второй закон Ньютона в векторной форме.

5. Через точку приложения сил провести координатные оси, указав положительное направление.

6. Записать второй закон Ньютона в проекциях на координатные оси, учитывая знак проекции.

7. Решить данное уравнение или систему уравнений относительно неизвестной величины.

8. При необходимости дописать недостающие формулы.

Что такое электрический заряд?

Точечный электрический заряд?

Какой заряд называют элементарным?

Закон сохранения электрического заряда.

Закон Кулона

3.Решение задач.

1.Пылинка, имевшая отрицательный заряд –10 е, при освещении потеряла четыре электрона. Каким стал заряд пылинки?

2. Модуль силы взаимодействия между двумя неподвижными заряженными

телами равен F. Чему станет равен модуль этой силы, если увеличить за-

ряд одного тела в 3 раза, а второго в 2 раза?

3.Как изменится модуль силы взаимодействия двух небольших металличе-

ских шариков одинакового диаметра, имеющих заряды q1 = + 3 мкКл и

q2 = – 5 мкКл, если шары привести в соприкосновение и раздвинуть на

прежнее расстояние?

Домашнее задание: Учеб: § 1 , : § 2 (п.1).

Сб: №. 1.1,1.2, 1.3, 1.4. ,1.8, 1.16,1.17

1. Электронное Учебное Издание по дисциплине «Физика. 8 класс» Дрофа.-СD-диск к учебнику физики 8 класса , ,

Закон сохранения электрического заряда в физике

Закон сохранения электрического заряда

Закон сохранения электрического заряда гласит, что алгебраическая сумма электрических зарядов всех частиц изолированной системы не меняется при происходящих в ней процессах.

Электрический заряд любой частицы или системы частиц является целым, кратным элементарному электрическому заряду (равному по величине заряду электрона) или нулевым.

Одним из подтверждений закона сохранения электрического заряда служит строгое равенство (по абсолютной величине) электрических зарядов электрона и протона. Изучение движения атомов (молекул) и микроскопических тел в электрических полях подтверждает электронейтральность вещества и, соответственно, равенство зарядов электрона и протона (и электронейтральность нейтрона) с точностью до .

Закон сохранения заряда подтверждается и простыми опытами по электризации тел. Укрепим на стержне электромера металлический диск и, положив на него прослойку из сукна, поставим сверху ещё один такой же диск, но с ручкой из диэлектрика. Совершив несколько движений верхним диском по изоляционной прослойке, уберём его в сторону. Мы увидим, что стрелка электромера отклонится, свидетельствуя о появлении на сукне и соприкасающемся с ним диске электрического заряда. Далее прикоснемся вторым диском (которым мы терли о сукно) к стержню второго электромера. Стрелка этого электромера отклонится примерно на такой же угол, что и стрелка первого электромера. Это означает, что при электризации оба диска получили одинаковый по модулю заряд. Что можно сказать о знаках этих зарядов? Для ответа на этот вопрос завершим опыт, соединив электромеры металлическим стержнем. Мы увидим, как стрелки приборов опустятся вниз. Нейтрализация зарядов свидетельствует о том, что они были равны по модулю, но противоположны по знаку (и, следовательно, в сумме давали нуль).
Опыты показывают, что в процессе электризации общий (суммарный) заряд тел сохраняется: если он был равен нулю до электризации, то таким он останется и после неё.

Полный электрический заряд сохраняется и в том случае, если первоначальные заряды тел были отличны от нуля. Если обозначить первоначальные заряды тел как и , а заряд тех же тел после их взаимодействия как и , то можно записать:

При любых взаимодействиях тел их полный электрический заряд остаётся неизменным.

В этом заключается фундаментальный закон природы — закон сохранения электрического заряда.
Закон сохранения заряда был установлен в 1750 г. американским учёным и видным политическим деятелем Бенджамином Франклином. Он же ввёл понятие о положительных и отрицательных зарядах, обозначив их знаками «+» и «-».

Закон сохранения заряда имеет глубокий смысл. Он очевиден, когда число элементарных частиц не меняется. Однако элементарные частицы могут возникать (рождаться) и исчезать, т. е. претерпевать различные превращения. Возникают и исчезают элементарные частицы всегда парами (с противоположными зарядами). Многочисленные наблюдения превращений элементарных частиц подтверждают закон сохранения заряда. Этот закон выражает одно из фундаментальных свойств электрического заряда.
Таким образом, электрический заряд во Вселенной сохраняется, а полный электрический заряд Вселенной, скорее всего, равен нулю.

Эта лекция взята со страницы лекций по всем темам предмета физика:

Возможно эти страницы вам будут полезны:



Изучу , оценю , оплатите , через 2-3 дня всё будет на «4» или «5» !

Откройте сайт на смартфоне, нажмите на кнопку «написать в чат» и чат в whatsapp запустится автоматически.

f9219603113@gmail.com


Образовательный сайт для студентов и школьников

Копирование материалов сайта возможно только с указанием активной ссылки «www.9219603113.com» в качестве источника.

© Фирмаль Людмила Анатольевна — официальный сайт преподавателя математического факультета Дальневосточного государственного физико-технического института

Электрический заряд и его свойства

Происходящие в природе физические процессы не всегда объясняются действием законов молекулярно-кинетической теории, механики либо термодинамики. Существуют еще электромагнитные силы, которые действуют на расстоянии и не зависят от массы тела.

Их проявления впервые описаны в трудах древних ученых Греции, когда они янтарем, потертым о шерсть, притягивали легкие, маленькие частицы отдельных веществ.

Исторический вклад ученых в развитие электродинамики

Опыты с янтарем подробно изучались английским исследователем Уильямом Гильбертом . В последних годах XVI века он сделал отчет о своей работе, а предметы, способные притягивать другие тела на расстоянии, обозначил термином «наэлектризованные».

Французским физиком Шарлем Дюфе было определено существование зарядов с противоположными знаками: одни образовывались при трении стеклянных предметов о шелковую ткань, а другие — смол по шерсти. Он так и назвал их: стеклянные и смоляные. После завершения исследований Бенджамина Франклина было введено понятие отрицательных и положительных зарядов.

Шарль Кулон реализовал возможность измерения силы зарядов конструкцией крутильных весов собственного изобретения.

Роберт Милликен на основе серии проведенных опытов установил дискретный характер электрических зарядов любого вещества, доказав, что они состоят из определенного количества элементарных частиц. (Не путать с другим понятием этого термина — дробности, прерывистости.)

Труды перечисленных ученых послужили фундаментом современных знаний о процессах и явлениях, происходящих в электрических и магнитных полях, создаваемых электрическими зарядами и их движением, изучаемых электродинамикой.

Определение зарядов и принципы их взаимодействия

Электрическим зарядом характеризуют свойства веществ, обеспечивающих им возможность создавать электрические поля и взаимодействовать в электромагнитных процессах. Еще его называют количеством электричества и определяют как физическую скалярную величину. Для обозначения заряда приняты символы «q» или «Q», а при измерениях используют единицу «Кулон», названную в честь французского ученого, разработавшего уникальную методику.

Им был создан прибор, в корпусе которого использовались подвешенные на тонкой нити из кварца шарики. Они ориентировались в пространстве определенным образом, а их положение регистрировалось относительно проградуированной шкалы с равными делениями.

Через специальное отверстие в крышке к этим шарикам подводился другой шар, обладающий дополнительным зарядом. Возникающие силы взаимодействия заставляли отклоняться шарики, поворачивали их коромысло. Величина разницы отсчетов на шкале до ввода заряда и после него позволяла оценивать количество электричества в испытуемых образцах.

Заряд в 1 кулон характеризуется в системе СИ силой тока в 1 ампер, проходящей через поперечное сечение проводника за время, равное 1 секунде.

Все электрические заряды современная электродинамика разделяет на:

При взаимодействии их между собой у них возникают силы, направление которых зависит от существующей полярности.

Одинакового типа заряды, положительные либо отрицательные, всегда отталкиваются в противоположные стороны, стремясь, как можно дальше удалиться друг от друга. А у зарядов противоположных знаков действуют силы, стремящиеся сблизить их и соединить в одно целое.

Когда в определенном объеме находится несколько зарядов, то для них действует принцип суперпозиции.

Его смысл в том, что каждый заряд определенным образом по рассмотренному выше способу взаимодействует со всеми остальными, притягиваясь к разноименным и отталкиваясь от однотипных. К примеру, на положительный заряд q1 действует сила притяжения F31 к отрицательному заряду q3 и отталкивания F21 — от q2.

Результирующая сила F1, действующая на q1, определяется геометрическим сложением векторов F31 и F21. (F1= F31+ F21).

Таким же методом определяются действующие результирующие силы F2 и F3 на заряды q2 и q3 соответственно.

Посредством принципа суперпозиции сделан вывод о том, что при определенном количестве зарядов в замкнутой системе между всеми ее телами действуют установившиеся электростатические силы, а потенциал в любой определенной точке этого пространства равен сумме потенциалов от всех отдельно приложенных зарядов.

Действие этих законов подтверждают созданные приборы электроскоп и электрометр , имеющие общий принцип работы.

Электроскоп состоит из двух одинаковых лепестков тонкой фольги, подвешенных в изолированном пространстве на токопроводящей нити, присоединенной к металлическому шарику. В обычном состоянии на этот шарик заряды не действуют, поэтому лепестки свободно висят в пространстве внутри колбы прибора.

Читать еще:  Как выбрать торцовочную пилу

Как можно передавать заряд между телами

Если к шарику электроскопа поднести заряженное тело, например, палочку, то заряд пройдет через шарик по токопроводящей нити к лепесткам. Они получат одноименный заряд и станут отодвигаться друг от друга на угол, пропорциональный приложенному количеству электричества.

У электрометра такое же принципиальное устройство, но он имеет небольшие отличия: один лепесток закреплен стационарно, а второй отходит от него и снабжен стрелкой, которая позволяет снимать отсчет с проградуированной шкалы.

Для переноса заряда от удаленного стационарно закрепленного и заряженного тела на электрометр можно воспользоваться промежуточными носителями.

Измерения, сделанные электрометром, не обладают высоким классом точности и на их основе сложно анализировать силы, действующие между зарядами. Для их исследования больше приспособлены крутильные весы Кулона. У них использованы шарики с диаметрами, значительно меньшими, чем их удаление друг от друга. Они обладают свойствами точечных зарядов — заряженных тел, размеры которых не влияют на точность прибора.

Измерения, выполненные Кулоном, подтвердили его догадку о том, что точечный заряд передается от заряженного тела к такому же по свойствам и массе, но незаряженному таким образом, чтобы равномерно распределиться между ними, уменьшаясь на источнике в 2 раза. Таким способом удалось уменьшать величину заряда в два, три и иное количество раз.

Силы, существующие между неподвижными электрическими зарядами, называют кулоновским либо статическим взаимодействием. Их изучает электростатика, являющаяся одним из разделов электродинамики.

Виды носителей электрических зарядов

Современная наука считает самой маленькой отрицательно заряженной частицей электрон , а положительной — позитрон . Они имеют одинаковую массу 9,1·10-31 кг. Элементарная частица протон обладает всего одним положительным зарядом и массой 1,7·10-27 кг. В природе количество положительных и отрицательных зарядов уравновешено.

В металлах движение электронов создает электрический ток, а в полупроводниках носителями его зарядов являются электроны и дырки.

В газах ток образуется передвижением ионов — заряженных неэлементарных частиц (атомов или молекул) с положительными зарядами, называемыми катионами либо отрицательными — анионами.

Ионы образуются из нейтральных частиц.

Положительный заряд создается у частицы, потерявшей электрон под действием мощного электрического разряда, светового или радиоактивного облучения, потока ветра, движения масс воды или ряда других причин.

Отрицательные ионы образуются из нейтральных частиц, дополнительно получивших электрон.

Использование ионизации в медицинских целях и быту

Исследователи давно заметили способность отрицательных ионов воздействовать на организм человека, улучшать потребление кислорода воздуха, быстрее доставлять его к тканям и клеткам, ускорять процесс окисления серотонина. Это все в комплексе значительно повышает иммунитет, улучшает настроение, снимает боли.

Первый ионизатор, используемый для лечения людей, получил название люстры Чижевского , в честь советского ученого, который создал прибор, благотворно влияющий на здоровье человека.

В современных электроприборах для работы в бытовых условиях можно встретить встроенные ионизаторы в пылесосы, увлажнители воздуха, фены, сушилки…

Специальные ионизаторы воздуха очищают его состав, уменьшают количество пыли и вредных примесей.

Ионизаторы воды способны снижать количество химических реагентов в ее составе. Их используют для очистки бассейнов и водоемов, насыщая воду ионами меди или серебра, которые уменьшают рост водорослей, уничтожают вирусы и бактерии.

Электрический заряд

Автор статьи — профессиональный репетитор, автор учебных пособий для подготовки к ЕГЭ Игорь Вячеславович Яковлев

Темы кодификатора ЕГЭ: электризация тел, взаимодействие зарядов, два вида заряда, закон сохранения электрического заряда.

Электромагнитные взаимодействия принадлежат к числу наиболее фундаментальных взаимодействий в природе. Силы упругости и трения, давление газа и многое другое можно свести к электромагнитным силам между частицами вещества. Сами электромагнитные взаимодействия уже не сводятся к другим, более глубоким видам взаимодействий.

Столь же фундаментальным типом взаимодействия является тяготение — гравитационное притяжение любых двух тел. Однако между электромагнитными и гравитационными взаимодействиями имеется несколько важных отличий.

1. Участвовать в электромагнитных взаимодействиях могут не любые, а только заряженные тела (имеющие электрический заряд).

2. Гравитационное взаимодействие — это всегда притяжение одного тела к другому. Электромагнитные взаимодействия могут быть как притяжением, так и отталкиванием.

3. Электромагнитное взаимодействие гораздо интенсивнее гравитационного. Например, сила электрического отталкивания двух электронов в раз превышает силу их гравитационного притяжения друг к другу.

Каждое заряженное тело обладает некоторой величиной электрического заряда . Электрический заряд — это физическая величина, определяющая силу электромагнитного взаимодействия между объектами природы. Единицей измерения заряда является кулон (Кл).

Два вида заряда

Поскольку гравитационное взаимодействие всегда является притяжением, массы всех тел неотрицательны. Но для зарядов это не так. Два вида электромагнитного взаимодействия — притяжение и отталкивание — удобно описывать, вводя два вида электрических зарядов: положительные и отрицательные.

Заряды разных знаков притягиваются друг к другу, а заряды разных знаков друг от друга отталкиваются. Это проиллюстрировано на рис. 1 ; подвешенным на нитях шарикам сообщены заряды того или иного знака.

Рис. 1. Взаимодействие двух видов зарядов

Повсеместное проявление электромагнитных сил объясняется тем, что в атомах любого вещества присутствуют заряженные частицы: в состав ядра атома входят положительно заряженные протоны, а по орбитам вокруг ядра движутся отрицательно заряженные электроны.

Заряды протона и электрона равны по модулю, а число протонов в ядре равно числу электронов на орбитах, и поэтому оказывается, что атом в целом электрически нейтрален. Вот почему в обычных условиях мы не замечаем электромагнитного воздействия со стороны окружающих тел: суммарный заряд каждого из них равен нулю, а заряженные частицы равномерно распределены по объёму тела. Но при нарушении электронейтральности (например, в результате электризации) тело немедленно начинает действовать на окружающие заряженные частицы.

Почему существует именно два вида электрических зарядов, а не какое-то другое их число, в данный момент не известно. Мы можем лишь утверждать, что принятие этого факта в качестве первичного даёт адекватное описание электромагнитных взаимодействий.

Заряд протона равен Кл. Заряд электрона противоположен ему по знаку и равен Кл. Величина

называется элементарным зарядом. Это минимальный возможный заряд: свободные частицы с меньшей величиной заряда в экспериментах не обнаружены. Физика не может пока объяснить, почему в природе имеется наименьший заряд и почему его величина именно такова.

Заряд любого тела всегда складывается из целого количества элементарных зарядов:

Если , то тело имеет избыточное количество электронов (по сравнению с количеством протонов). Если же 0′ alt=’q>0′ /> , то наоборот, у тела электронов недостаёт: протонов на больше.

Электризация тел

Чтобы макроскопическое тело оказывало электрическое влияние на другие тела, его нужно электризовать. Электризация — это нарушение электрической нейтральности тела или его частей. В результате электризации тело становится способным к электромагнитным взаимодействиям.

Один из способов электризовать тело — сообщить ему электрический заряд, то есть добиться избытка в данном теле зарядов одного знака. Это несложно сделать с помощью трения.

Так, при натирании шёлком стеклянной палочки часть её отрицательных зарядов уходит на шёлк. В результате палочка заряжается положительно, а шёлк — отрицательно. А вот при натирании шерстью эбонитовой палочки часть отрицательных зарядов переходит с шерсти на палочку: палочка заряжается отрицательно, а шерсть — положительно.

Данный способ электризации тел называется электризацией трением. С электризацией трением вы сталкиваетесь всякий раз, когда снимаете свитер через голову 😉

Другой тип электризации называется электростатической индукцией, или электризацией через влияние. В этом случае суммарный заряд тела остаётся равным нулю, но перераспределяется так, что в одних участках тела скапливаются положительные заряды, в других — отрицательные.

Рис. 2. Электростатическая индукция

Давайте посмотрим на рис. 2 . На некотором расстоянии от металлического тела находится положительный заряд . Он притягивает к себе отрицательные заряды металла (свободные электроны), которые скапливаются на ближайших к заряду участках поверхности тела. На дальних участках остаются нескомпенсированные положительные заряды.

Несмотря на то, что суммарный заряд металлического тела остался равным нулю, в теле произошло пространственное разделение зарядов. Если сейчас разделить тело вдоль пунктирной линии, то правая половина окажется заряженной отрицательно, а левая — положительно.

Наблюдать электризацию тела можно с помощью электроскопа. Простой электроскоп показан на рис. 3 (изображение с сайта en.wikipedia.org).

Рис. 3. Электроскоп

Что происходит в данном случае? Положительно заряженная палочка (например, предварительно натёртая) подносится к диску электроскопа и собирает на нём отрицательный заряд. Внизу, на подвижных листочках электроскопа, остаются нескомпенсированные положительные заряды; отталкиваясь друг от друга, листочки расходятся в разные стороны. Если убрать палочку, то заряды вернутся на место и листочки опадут обратно.

Явление электростатической индукции в грандиозных масштабах наблюдается во время грозы. На рис. 4 мы видим идущую над землёй грозовую тучу.

Рис. 4. Электризация земли грозовой тучей

Внутри тучи имеются льдинки разных размеров, которые перемешиваются восходящими потоками воздуха, сталкиваются друг с другом и электризуются. При этом оказывается, что в нижней части тучи скапливается отрицательный заряд, а в верхней — положительный.

Отрицательно заряженная нижняя часть тучи наводит под собой на поверхности земли заряды положительного знака. Возникает гигантский конденсатор с колоссальным напряжением между тучей и землёй. Если этого напряжения будет достаточно для пробоя воздушного промежутка, то произойдёт разряд — хорошо известная вам молния.

Закон сохранения заряда

Вернёмся к примеру электризации трением — натирании палочки тканью. В этом случае палочка и кусок ткани приобретают равные по модулю и противоположные по знаку заряды. Их суммарный заряд как был равен нулю до взаимодействия, так и остаётся равным нулю после взаимодействия.

Мы видим здесь закон сохранения заряда, который гласит: в замкнутой системе тел алгебраическая сумма зарядов остаётся неизменной при любых процессах, происходящих с этими телами:

Замкнутость системы тел означает, что эти тела могут обмениваться зарядами только между собой, но не с какими-либо другими объектами, внешними по отношению к данной системе.

При электризации палочки ничего удивительного в сохранении заряда нет: сколько заряженных частиц ушло с палочки — столько же пришло на кусок ткани (или наоборот). Удивительно то, что в более сложных процессах, сопровождающихся взаимными превращениями элементарных частиц и изменением числа заряженных частиц в системе, суммарный заряд всё равно сохраняется!

Например, на рис. 5 показан процесс , при котором порция электромагнитного излучения (так называемый фотон) превращается в две заряженные частицы — электрон и позитрон . Такой процесс оказывается возможным при некоторых условиях — например, в электрическом поле атомного ядра.

Рис. 5. Рождение пары электрон–позитрон

Заряд позитрона равен по модулю заряду электрона и противоположен ему по знаку. Закон сохранения заряда выполнен! Действительно, в начале процесса у нас был фотон, заряд которого равен нулю, а в конце мы получили две частицы с нулевым суммарным зарядом.

Закон сохранения заряда (наряду с существованием наименьшего элементарного заряда) является на сегодняшний день первичным научным фактом. Объяснить, почему природа ведёт себя именно так, а не иначе, физикам пока не удаётся. Мы можем лишь констатировать, что эти факты подтверждаются многочисленными физическими экспериментами.

Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector