Сила взаимодействия между 2-мя точечными электрическими зарядами пропорциональна величинам этих зарядов и назад пропорциональна квадрату расстояния между ними.
Явление электростатического притяжения еще до нашей эпохи было понятно древнегреческим ученым. Они знали, к примеру, что если пошеркать янтарь кошачьей шерстью, а стекло шелком, то между ними появляются силы притяжения. Не считая того, им было понятно, что с помощью таких предметов можно вынудить повлиять друг на друга и другие предметы: к примеру, если прикоснуться наэлектризованным янтарем к пробковой крошке, она будет отталкиваться от других пробковых крошек, к которым прикасались янтарем, и притягиваться к крошкам, к которым прикасались стеклом. Сейчас мы знаем, что схожее притяжение и отталкивание является проявлением статического напряжения. Мы смотрим электростатические явления и в ежедневной жизни, когда, к примеру, нам приходится практически отлеплять одну от другой свежевыстиранные и доставаемые из сушилки вещи либо когда мы никак не можем привести в порядок наэлектризованные и практически встающие стоймя волосы.
Электростатика в современном осознании начинается с понимания того, что схожее поведение (притяжение либо отталкивание), наблюдавшееся еще старыми греками, является следствием существования в природе 2-ух видов электрических зарядов — положительных и отрицательных. В атоме они разбиты. Положительные заряды сосредоточены в атомном ядре — их носителями являются протоны, а электроны, являющиеся носителями отрицательных зарядов, размещены вокруг ядра (см. Атом Бора). Первым идею о том, что в природе существует только два типа электрических зарядов, и только они несут ответственность за все наблюдаемые нами электростатические явления, подобные вышеперечисленным, высказал американский муниципальный деятель и ученый Бенджамин Франклин (Benjamin Franklin, 1706–1790). Выражаясь современным языком, его рассуждения сводились к тому, что если удалить часть негативно заряженных электронов из вещества, оно остается положительно заряженным, так как в обычном состоянии конкретно отрицательный заряд электронов компенсирует положительный заряд ядер. Если же к веществу в обычном состоянии добавить дополнительные электроны, оно приобретет отрицательный заряд.
Зная о наличии электричества в протяжении тыщ лет, человек приступил к его научному исследованию только в XVIII веке. (Любопытно, что сами Исследователи той эры, занявшиеся этой неувязкой, выделяли электричество в отдельную от физики науку, а себя назвали «электриками».) Одним из ведущих первоисследователей электричества явился Шарль Огюстен де Кулон. Кропотливо изучив силы взаимодействия между телами, несущими на для себя разные электростатические заряды, он и определил закон, носящий сейчас его имя. В главном свои опыты он проводил следующим образом: разные электростатические заряды передавались двум небольшим шарикам, подвешенным на тончайших нитях, после этого подвесы с шариками сближались. При достаточном сближении шарики начинали притягиваться друг к другу (при обратной полярности электрических зарядов) либо отталкиваться (в случае однополярных зарядов). В итоге нити отклонялись от вертикали на довольно большой угол, при котором силы электростатического притяжения либо отталкивания уравновешивались силами земного притяжения. Замерив угол отличия и зная массу шариков и длину подвесов, Кулон высчитал силы электростатического взаимодействия на различном удалении шариков друг от друга и на базе этих данных вывел эмпирическую формулу:
F = kQq/ D 2
где Q и q —величины электростатических зарядов, D — расстояние между ними, а k — экспериментально определяемая неизменная Кулона.
Сходу отметим два увлекательных момента в законе Кулона. Во-1-х, по собственной математической форме он повторяет закон глобального тяготения Ньютона, если поменять в последнем массы на заряды, а постоянную Ньютона, на постоянную Кулона. И для этого сходства все есть предпосылки. Согласно современной квантовой теории поля и электрические, и гравитационные поля появляются, когда физические тела обмениваются между собой лишенными массы покоя простыми частицами-энергоносителями — фотонами либо гравитонами соответственно. Таким макаром, невзирая на кажущееся различие в природе гравитации и электричества, у 2-ух этих сил много общего.
2-ое принципиальное замечание касается неизменной Кулона. Когда шотландский физик-теоретик Джеймс Кларк Максвелл вывел систему уравнений Максвелла для общего описания электромагнитных полей, выяснилось, что неизменная Кулона впрямую связана со скоростью света с. В конце концов, Альберт Эйнштейн показал, что с играет роль базовой мировой константы в пределах теории относительности. Таким макаром можно проследить, как самые абстрактные и универсальные теории современной науки поэтапно развивались, впитывая в себя ранее приобретенные результаты, начиная с обычных выводов, изготовленных на базе настольных физических опытов.
Сила кулона действующая на заряд
Согласно закону Кулона сила взаимодействия между 2-мя недвижными заряженными точечными телами пропорциональна произведению их зарядов и назад пропорциональна квадрату расстояния между ними.
Электрическая сила взаимодействия между заряженными телами находится в зависимости от величины их зарядов, размеров тел, расстояния между ними, также от того, в каких частях тел находятся эти заряды. Если размеры заряженных тел существенно меньше расстояния между ними, то такие тела именуют точечными. Сила взаимодействия между точечными заряженными телами зависит только от величины их зарядов и расстояния между ними.
Закон, описывающий взаимодействие 2-ух точечных заряженных тел, был установлен французским физиком Ш. Кулоном, когда он определял силу отталкивания между маленькими одноимённо заряженными металлическими шариками . Установка Кулона состояла из узкой упругой серебряной нити (1) и подвешенной на ней лёгкой стеклянной палочки (2), на одном конце которой был укреплён заряженный железный шарик (3), а на другом противовес (4). Сила отталкивания между недвижным шариком (5) и шариком 3 приводила к закручиванию нити на некоторый угол, a , по которому можно было найти величину этой силы. Сближая и отдаляя между собой идиентично заряженные шарики 3 и 5, Кулон установил, что сила отталкивания между ними назад пропорциональна квадрату расстояния между ними.
Дабы установить, как сила взаимодействия между шариками находится в зависимости от величины их зарядов, Кулон поступал следующим образом. Поначалу он определял силу, действующую между идиентично заряженными шариками 3 и 5, а позже касался 1-го из заряженных шариков (3) другим, незаряженным шариком того же размера (6). Кулон справедливо считал, что при соприкосновении одинаковых железных шариков электрический заряд поровну распределится между ними, и потому на шарике 3 остается только половина его начального заряда. При всем этом, как проявили опыты, сила отталкивания между шариками 3 и 5 уменьшалась вдвое, по сопоставлению с начальной . Меняя схожим образом заряды шариков, Кулон установил, что они ведут взаимодействие с силой, пропорциональной произведению их зарядов.
В итоге бессчетных опытов Кулон определил закон, определяющий модуль силы F 12 , действующей между 2-мя недвижными точечными телами с зарядами q 1 и q 2 , расположенными на расстоянии r друг от друга:
где k – коэффициент пропорциональности, значение которого находится в зависимости от применяемой системы единиц, и который нередко по причинам, связанным с историей введения систем единиц, подменяют на (4 p e 0 ) -1 . e 0 именуют электрической неизменной. Вектор силы F 12 ориентирован вдоль прямой, соединяющей тела, так, что разноимённо заряженные тела притягиваются, а одноимённо заряженные отталкиваются . Этот закон именуют законом Кулона, а надлежащие электрические силы – кулоновскими.
Закон Кулона, а конкретно зависимость силы взаимодействия от 2-ой степени расстояния между заряженными телами, до сего времени подвергается экспериментальной проверке. В текущее время показано, что показатель степени в законе Кулона может отличаться от двойки менее , чем на 6 . 10 -16 .
В системе СИ единицей электрического заряда служит кулон (Кл). Заряд в 1 Кл равен заряду, проходящему за 1 с через поперечное сечение проводника при силе тока, равной 1 амперу (А). В системе СИ
k = 9 . 10 9 Н . м 2 / Кл 2 , а e 0 = 8,8 . 10 -12 Кл 2 /( Н . м 2 )
Простый электрический заряд, e , в СИ равен:
e = 1 ,6 . 10 -19 Кл .
По собственному виду закон Кулона очень похож на закон глобального тяготения , если поменять в последнем массы на заряды. Но, невзирая на наружное сходство, гравитационные силы и кулоновские отличаются друг от друга тем, что
1. гравитационные силы всегда притягивают тела, а кулоновские могут как притягивать, так и отталкивать тела,
2. кулоновские силы еще посильнее гравитационных, к примеру, кулоновская сила, отталкивающая два электрона друг от друга, в 10 42 раз больше силы их гравитационного притяжения.
1.2. Закон Кулона
Основной закон взаимодействия электрических зарядов был найден Шарлем Кулоном в 1785 г. экспериментально. Кулон установил, что сила взаимодействия между 2-мя маленькими заряженными металлическими шариками назад пропорциональна квадрату расстояниямежду ними и находится в зависимости от величины зарядови:
,
где —коэффициент пропорциональности .
Силы, действующие на заряды, являются центральными, другими словами они ориентированы вдоль прямой, соединяющей заряды.
Для одноименных зарядов произведение и силасоответствует обоюдному отталкиванию зарядов,
для разноимнных зарядов , и силасоответствует обоюдному притяжению зарядов.
Закон Кулона можно записать в векторной форме:,
где —вектор силы, действующей на заряд со стороны заряда,
— радиус-вектор, соединяющий заряд с зарядом;
— модуль радиус-вектора.
Сила, действующая на заряд со стороныравна,.
Закон Кулона в таковой форме
справедлив только для взаимодействия точечных электрических зарядов, другими словами таких заряженных тел, линейными размерами которых можно пренебречь по сопоставлению с расстоянием между ними.
выражает силу взаимодействия между недвижными электрическими зарядами, другими словами это электростатический закон.
Формулировка закона Кулона:
Сила электростатического взаимодействия между 2-мя точечными электрическими зарядами прямо пропорциональна произведению величин зарядов и назад пропорциональна квадрату расстояния между ними.
Коэффициент пропорциональности в законе Кулоназависит
от параметров среды
выбора единиц измерения величин, входящих в формулу.
Потому можно представить отношением,
где —коэффициент, зависящий только от выбора системы единиц измерения;
— безразмерная величина, характеризующая электрические характеристики среды, именуется относительной диэлектрической проницаемостью среды. Она не находится в зависимости от выбора системы единиц измерения и равна единице в вакууме.
Тогда закон Кулона воспримет вид:,
для вакуума ,
тогда —относительная диэлектрическая проницаемость среды указывает, во сколько раз в данной среде сила взаимодействия между 2-мя точечными электрическими зарядами и, находящимися друг от друга на расстоянии, меньше, чем в вакууме.
В системе СИ коэффициент , и
закон Кулона имеет вид:.
Это рационализированная запись закона Кулона.
— электрическая неизменная, .
В системе СГСЭ ,.
В векторной форме закон Кулона воспринимает вид
где —вектор силы, действующей на заряд со стороны заряда ,
— радиус-вектор, соединяющий заряд с зарядом
r –модуль радиус-вектора .
Всякое заряженное тело состоит из огромного количества точечных электрических зарядов, потому электростатическая сила, с которой одно заряженное тело действует на другое, равна векторной сумме сил, приложенных ко всем точечным зарядам второго тела со стороны каждого точечного заряда первого тела.
1.3.Электрическое поле. Напряженность.
Место, в каком находится электрический заряд, обладает определенными физическими качествами.
На всякий другой заряд, внесенный в это место, действуют электростатические силы Кулона.
Если в каждой точке места действует сила, то молвят, что в этом пространстве существует силовое поле.
Поле вместе с веществом является формой материи.
Если поле стационарно, другими словами не изменяется во времени, и создается недвижными электрическими зарядами, то такое поле именуется электростатическим.
Электростатика изучает только электростатические поля и взаимодействия недвижных зарядов.
Для свойства электрического поля вводят понятие напряженности. Напряженностью в каждой точке электрического поля именуется вектор , численно равный отношению силы, с которой это поле действует на пробный положительный заряд, помещенный в данную точку, и величины этого заряда, и направленный в сторону деяния силы.
Пробный заряд, который вносится в поле, подразумевается точечным и нередко именуется пробным зарядом.
— Он не участвует в разработке поля, которое с его помощью измеряется.
— подразумевается, что этот заряд не искажает исследуемого поля, другими словами он довольно мал и не вызывает перераспределения зарядов, создающих поле.
Если на пробный точечный заряд поле действует силой, то напряженность.
СИ:
СГСЭ:
В системе СИ выражение для поля точечного заряда:
.
В векторной форме:
Тут – радиус-вектор, проведенный из зарядаq , создающего поле, в данную точку.
Таким макаром,векторы напряженности электрического поля точечного заряда q во всех точках поля ориентированы радиально (рис.1.3)
— от заряда, если он положительный, «исток»
— и к заряду, если он отрицательный «сток»
Для графической интерпретации электрического поля вводят понятие силовой полосы либо полосы напряженности. Это
кривая, касательная в каждой точке к которой совпадает с вектором напряженности.
Линия напряженности начинается на положительном заряде и завершается на отрицательном.
Полосы напряженности не пересекаются, так как в каждой точке поля вектор напряженности имеет только одно направление.
Здесь вы сможете бросить комментарий к избранному абзацу либо сказать об ошибке.
