12. Взаимодействие заряженных тел. Закон Кулона. Закон сохранения электрического заряда
Законы взаимодействия атомов и молекул удается осознать и разъяснить на базе познаний о строении атома, используя планетарную модель его строения. В центре атома находится положительно заряженное ядро, вокруг которого крутятся по определенным орбитам негативно заряженные частички. Взаимодействие между заряженными частичками именуется электромагнитным.
Интенсивность электромагнитного взаимодействия определяется физической величиной — электрическим зарядом, который обозначается . Единица электрического заряда — кулон (Кл). 1 кулон — это таковой электрический заряд, который, проходя через поперечное сечение проводника за 1 с, делает в нем ток силой 1 А. Способность электрических зарядов как к обоюдному притяжению, так и к обоюдному отталкиванию разъясняется существованием 2-ух видов зарядов. Один вид заряда окрестили положительным, носителем простого положительного заряда является протон. Другой вид заряда окрестили отрицательным, его носителем является электрон. Простый заряд равен .
Заряд частички всегда представляется числом, кратным величине простого заряда.
Полный заряд замкнутой системы (в которую не пходят заряды снаружи), т. е. алгебраическая сумма зарядов всех тел, остается неизменным: . Электрический заряд не создается и не исчезает, а только перебегает от 1-го тела к другому. Этот экспериментально установленный факт именуется законом сохранения электрического заряда. Никогда и нигде в природе не появляется и не исчезает электрический заряд 1-го знака. Возникновение и исчезновение электрических зарядов на телах почти всегда разъясняется переходами простых заряженных частиц — электронов — от одних тел к другим.
Электризация — это сообщение телу электрического заряда. Электризация может происходить, к примеру, при соприкосновении (трении) разнородных веществ и при облучении. При электризации в теле нозникает излишек либо недочет электронов.
В случае излишка электронов тело приобретает отрицательный заряд, в случае недочета — положительный.
Законы взаимодействия недвижных электрических зарядов изучает электростатика.
Основной закон электростатики был экспериментально установлен французским физиком Шарлем Кулоном и читается так: модуль силы взаимодействия 2-ух точечных недвижных электрических зарядов в вакууме прямо пропорционален произведению величин этих зарядов и назад пропорционален квадрату расстояния между ними:
" />,
где и — модули зарядов, — расстояние межд ними, — коэффициент пропорциональности, который находится в зависимости от выбора системы единиц, в СИ .
Величина, показывающая, во сколько раз сила взаимодействия зарядов в вакууме больше, чем в среде, именуется диэлектрической проницаемостью среды . Для среды с диэлектрической проницаемостью закон Кулона записывается следующим образом:
" />,
В СИ коэффициент принято записывать следующим образом: , где — электрическая неизменная. Она численно равна .
С внедрением электрической неизменной закон Кулона имеет вид:
\frac " />,
Взаимодействие недвижных электрических зарядов именуют электростатическим либо кулоновским взаимодействием. Кулоновские силы можно изобразить графически (рис. 14, 15).
Кулоновская сила ориентирована вдоль прямой, соединяющей заряженные тела. Она является силоЙ притяжения при различных знаках зарядов и силой отталкивания при одинаковых знаках зарядов.
1. Раскрывая физический смысл понятия напряженности электрического поля, абитуриенты верно указывают на то, что силовое действие поля можно найти при помощи заряда, вносимого в это поле (пробного заряда), но не все могут разъяснить, почему проьный заряд должен быть довольно малым.
Дело в том, что большой пробный заряд может внести конфигурации в исследуемое поле. К примеру, если заряды, создающие исследуемое поле, размещено на проводнике. то может случиться, что под воздействием электрического поля пробного заряда заряды проводника переместяться, что приведет к изменению их поля.
2. Поступающие плохо различают формулу, являющуюся определением напряженности поля:
, (1)
и формулы, устанавливающей связь напряженности с другими величинами. Дают, к примеру, такое определение: напряженностью именуется величина
" />. (2)
Но ведь формула (2) не является определяющей, по ней рассчитывается напряженность для точечного заряда. Определяющей является формула (1), согласно которой дается следующее определение: напряженность электрического поля — это векторная физическая величина, характеризующая силовое действие электрического поля на вносимые в него электрические заряды, равная отношению силы, с которой поле действует на положительный точечный заряд, помещенный в данную точку, к этому заряду.
3. Некоторые экзаменующиеся затрудняются ответить на вопрос, почему сила взаимодействия зарядов, находящихся в диэлектрике (к примеру, в воде), меньше, чем в вакууме.
Отвечая на этот вопрос, необходимо объяснить, что вследствие поляризации диэлектрика в нем появляется электрическое поле связанных зарядов, напряженность которого ориентирована обратно напряженности наружного поля, потому в диэлектрике напряженность электрического поля миниатюризируется в раз, где — диэлектрическая проницаемость среды. Соответственно в раз миниатюризируется и сила взаимодействия точечных зарядов в однородном диэлектрике (в воде, к примеру, в 81 раз).
Закон Кулона. Точечный заряд.
Силы электростатического взаимодействия зависят от формы и размеров наэлектризованных тел, также от нрава рассредотачивания заряда на этих телах. В некоторых случаях можно пренебречь формой и размерами заряженных тел и считать, что каждый заряд сосредоточен в одной точке.
Точечный заряд – это электрический заряд, когда размер тела, на котором этот заряд сосредоточен, намного меньше расстояния между заряженными телами. Приближённо точечные заряды можно получить на опыте, заряжая, к примеру, довольно мелкие шарики.
Взаимодействие 2-ух покоящихся точечных зарядов определяет основной закон электростатики – закон Кулона. Этот закон экспериментально установил в 1785 году французский физик Шарль Огюстен Кулон (1736 – 1806). Формулировка закона Кулона такая:
Сила взаимодействия 2-ух точечных недвижных заряженных тел в вакууме прямо пропорциональная произведению модулей зарядов и назад пропорциональна квадрату расстояния между ними.
Эта сила взаимодействия именуется кулоновская сила, и формула закона Кулона будет такая:
где |q1|, |q2| – модули зарядов, r – расстояния между зарядами, k – коэффициент пропорциональности.
Коэффициент k в СИ принято записывать в форме:
где ε0 = 8,85 * 10 -12 Кл/Н*м 2 – электрическая неизменная, ε – диэлектрическая проницаемость среды.
Для вакуума ε = 1, k = 9 * 10 9 Н*м/Кл 2 .
Сила взаимодействия недвижных точечных зарядов в вакууме:
Если два точечных заряда помещены в диэлектрик и расстояние от этих зарядов до границ диэлектрика существенно больше расстояния между зарядами, то сила взаимодействия между ними равна:
Диэлектрическая проницаемость среды всегда больше единицы (π > 1), потому сила, с которой ведут взаимодействие заряды в диэлектрике, меньше силы взаимодействия их на том же расстоянии в вакууме.
Силы взаимодействия 2-ух недвижных точечных заряженных тел ориентированы вдоль прямой, соединяющей эти тела (рис. 1.8).
Рис. 1.8. Силы взаимодействия 2-ух недвижных точечных заряженных тел.
Кулоновские силы, как и гравитационные силы, подчиняются третьему закону Ньютона:
Кулоновская сила является центральной силой. Как указывает опыт, одноимённые заряженные тела отталкиваются, разноимённо заряженные тела притягиваются.
Вектор силы F2,1, действующей со стороны второго заряда на 1-ый, ориентирован в сторону второго заряда, если заряды различных символов, и в обратную, если заряды 1-го знака (рис. 1.9).
Рис. 1.9. Взаимодействие разноименных и одноименных электрических зарядов.
Электростатические силы отталкивания принято считать положительными, силы притяжения – отрицательными. Знаки сил взаимодействия соответствуют закону Кулона: произведение одноимённых зарядов является положительным числом, и сила отталкивания имеет положительный символ. Произведение разноимённых зарядов является отрицательным числом, что соответствует знаку силы притяжения.
В опытах Кулона измерялись силы взаимодействия заряженных шаров, зачем применялись крутильные весы (рис. 1.10). На узкой серебряной нити подвешена лёгкая стеклянная палочка с, на одном конце которой закреплён железный шарик а, а на другом противовес d. Верхний конец нити закреплён на вращающейся головке устройства е, угол поворота которой можно точно отсчитывать. Снутри устройства имеется того же размера железный шарик b, бездвижно закреплённый на крышке весов. Все части устройства помещены в стеклянный цилиндр, на поверхности которого нанесена шкала, позволяющая найти расстояние между шариками a и b при разных их положениях.
Рис. 1.10. Опыт Кулона (крутильные весы).
При сообщении шарикам одноимённых зарядов они отталкиваются друг от друга. При всем этом упругую нить закручивают на некоторый угол, дабы удержать шарики на фиксированном расстоянии. По углу закручивания нити и определяют силу взаимодействия шариков зависимо от расстояния между ними. Зависимость силы взаимодействия от величины зарядов можно установить так: сказать каждому из шариков некоторый заряд, установить их на определённом расстоянии и измерить угол закручивания нити. Потом нужно коснуться 1-го из шариков таким же по величине заряженным шариком, меняя при всем этом его заряд, так как при соприкосновении равных по величине тел заряд распределяется между ними поровну. Для сохранения между шариками прежнего расстояния нужно поменять угол закручивания нити, а поэтому, и найти новое значение силы взаимодействия при новеньком заряде.
