Основной чертой электромагнитного взаимодействия является электрический заряд. Электрический заряд q — это физическая величина, количественно охарактеризовывает электромагнитное взаимодействие.
1-ое предположение о строении атома было представлено Дж. Томсоном. Этот ученый долгое время занимался исследованием атомов. Более того, конкретно ему принадлежит открытие электрона — за что он и получил Нобелевскую премию. Модель, что предложил Томсон, не имела ничего общего с реальностью, но послужила довольно сильным стимулом в исследовании строения атома Резерфордом. Модель, предложенная Томсоном, называлась «пудингом с изюмом».
Бывают частички без электрического заряда, но не существует электрического заряда без частички. В 1911 г. была сотворена планетарная модель атома. Ее создатель — британский физик Эрнест Резерфорд — показал, что в центре атома размещено ядро, вокруг которого крутятся электроны.
Последующие исследования проявили, что атомное ядро состоит из положительно заряженных протонов и электронейтральных нейтронов. Электрический заряд протона по величине равен заряду электрона, но обратный ему по знаку. В целом атом электронейтральный, так как количество протонов в ядре равно числу электронов в атоме. Количество протонов в ядре определяет хим характеристики атома и его место в повторяющейся системе хим частей.
Электрический заряд дискретный: существует простый электрический заряд, равный по абсолютной величине заряда электрона е = 1,6 · 10 -19 Кл.
Единица электрического заряда — кулон, 1 кл.
Точное определение единицы электрического заряда будет установлено позднее. На данный момент отметим, что числовое значение электрического заряда 1 Кл равна сумме зарядов 6,25 · 10 18 электронов.
Наличие электрического заряда q в макротелах разъясняется неравномерным перераспределением положительных и отрицательных дискретных простых зарядов. Электрический заряд q = ne, где n — количество простых нескомпенсированная электрических зарядов.
Как понятно, одноименно заряженные тела отталкиваются, разноименно заряженные — притягиваются. Наэлектризовать тело можно трением либо прикосновением к электрически заряженного тела.
Явление неравномерного перераспределения положительных и отрицательных электрических зарядов в макротелах именуется электризацией (электростатической индукции).
Есть и другие методы электризации тел. К примеру, металл можно выполнить положительно заряженным, если его осветить подходящим световым потоком. В итоге взаимодействия света с металлом происходит вырывание электронов с поверхности металла. Теряя электроны, металл становится положительно заряженным. Но в любом методе электризации тел электрические заряды не появляются и не исчезают, а только перераспределяются между всеми телами, которые учавствуют в том либо этом процессе. Это утверждение именуют законом сохранения электрического заряда. Математически он формулируется так.
Алгебраическая сумма электрических зарядов тел, образующих замкнутую систему при всех взаимодействий, остается неизменной:
Формулировка закона Кулона
В электростатике, как и в любом разделе физики, применяют определенные модели. Одной из моделей электростатики является точечный электрический заряд.
Закон Кулона: cила взаимодействия 2-ух точечных недвижных заряженных тел в вакууме прямо пропорциональна произведению модулей зарядов и назад пропорциональна квадрату расстояния между ними.
Эту силу именуют кулоновской.
Закон Кулона в данной формулировке справедлив только для точечных заряженных тел, т.к. только для них понятие расстояния между зарядами имеет определенный смысл. Точечных заряженных тел в природе нет. Но если расстояние между телами во много раз больше их размеров, то ни форма, ни размеры заряженных тел значительно, как указывает опыт, не оказывают влияние на взаимодействие между ними. В данном случае тела можно рассматривать как точечные.
Точечные электрические заряды — это заряженные тела, размеры которых малы по сопоставлению с расстоянием между ними.
Время от времени для упрощения применяют только термин «заряд». Стоит держать в голове, что этим термином могут именовать как точечное электрически заряженное тело, так и значение электрического заряда на нем.
Количественно взаимодействие точечных электрических зарядов обрисовывает закон, экспериментально установленный Шарлем Кулоном в 1785
Закон Кулона формулируется так: сила взаимодействия F 2-ух точечных зарядов q 1 и q 2 прямо пропорциональна произведению абсолютных величин их зарядов, назад пропорциональна квадрату расстояния между ними, ориентирована вдоль прямой, соединяющей заряды, и соответствует притяжению для разноименных зарядов и отталкиванию — для одноименных.
Относительная диэлектрическая проницаемость среды ε указывает, во сколько раз сила взаимодействия электрических зарядов в этой среде меньше, чем в вакууме. Ее числовое значение для многих веществ определено опытным методом и занесены в таблицы. Итак, для вакуума ε = 1.
Установлено, что два точечных заряда по 1 Кл на расстоянии 1 м друг от друга в вакууме ведут взаимодействие с силой 9 · 10 9 Н. Из закона Кулона можно найти электрическую постоянную:
В физике, как вы понимаете, необходимо учесть пределы выполнения законов. Корректность закона Кулона доказано бессчетными проверками. Доказано, что он действует между заряженными частичками, расстояние между которыми может составлять от 10 -15 м до 10-ов км.
Взаимодействие заряженных тел и формулировка закона Кулона
Физика
Создатель na5club На чтение 7 мин. Размещено 22.04.2020
Одним из основных правил электростатики, пожалуй, таким же принципиальным, как сохранение заряда, является закон Кулона. Взаимодействие заряженных тел происходит из-за имеющегося явления природы. Французский учёный сумел не только лишь подтвердить его существование, но и отыскать метод количественного расчёта силы, возникающей при электризации веществ. Это позволило вывести науку на новый уровень и предназначить предстоящее её развитие.
Общие сведения
Раздел физики, занимающийся исследованием взаимодействия недвижных зарядов, именуется электростатикой, а электродинамика изучает магнитные и электрические явления. Магнетизм и электричество — это нераздельные явления. Исходя из убеждений физики, есть два главных вида взаимодействия:
- гравитационное, описываемое силой тяжести;
- электромагнитное, характеризуемое трением и упругостью.
В Старой Греции были популярны разные декорации. Некоторые из них делались из «солнечного камня» — электрона. Около 600 лет до н. э. узнаваемый философ Фалес Милетский направил внимание, что если янтарное украшение вытереть шерстяной тканью, то к нему начинают приставать пылинки и куски бумаги. Своё открытие исследователь именовал янтарностью, но разъяснить явление природы философ не мог.
Из физики понятно, что всё на свете ведет взаимодействие со всем. К примеру, камешки, лежащие в руке, притягиваются не только лишь к ней, но и друг к другу, к Земле и к окружающим предметам. Но это явление неприметное из-за маленькой массы тел. Такое взаимодействие именуется гравитационным. Оказывается, что этого рода притяжение из всех взаимодействий самое слабенькое. Но можно сделать условия, при которых предметы начинают притягиваться друг к другу. Причём это притяжение становится видимым. Оно получило название электростатическое.
Учёным стало понятно, что на предметах может появляться нечто, что вызывает взаимодействие. Это что-то окрестили электрическим зарядом. Сказать, что он собой представляет, физики не могут.
Природа так устроена, что если на телах возникает это нечто, то они начинают участвовать в электростатическом содействии. Таким макаром, электрическим зарядом окрестили присутствие того, что вызывает между ними электрические силы.
Как оказывается, заряды есть всегда. При всем этом их число в замкнутой системе неизменное. Отличается электростатическое взаимодействие от гравитационного тем, что 1-ое вызывает не только лишь притягивание, но и отталкивание. Связано это с тем, что при появлении явления происходит не рождение зарядов, а их разделение.
Характеристики заряженных тел
Для того дабы наэлектризовать тела, необходимо обеспечить между ними контакт. Выполнить это достаточно легко путём трения. Шарль Дюфэ во время тестов нашел, что при таком действии происходит изменение состояния обоих участвующих тел. При всем этом по отношению к третьему веществу вели они себя по-разному. Он вызнал, что наэлектризованные тела могут не только лишь притягиваться, но и отталкиваться.
Учёный пришел к выводу, что существует два вида зарядов. По виду веществ, использующихся в опытах, они были названы стеклянными и эбонитовыми. Физики, проводя аналогию с математическими действиями, договорились их именовать положительными и отрицательными. На основании открытия существования различных родов зарядов были установлены два принципа:
- если тела владеют одноимёнными зарядами, то они отталкиваются друг от друга;
- вещества стремятся притянуться один к другому, если их заряды разноимённые.
Как позднее выяснилось, что носителем заряда, участвующим в переносе, является электрон. Это отрицательная частичка, способная двигаться в теле. Таким макаром, при электризации не возникают заряды, а просто происходит их разделение. Электроны передвигаются на одно из взаимодействующих тел и делают там излишек отрицательных частиц. В это время вещество, которое их потеряло, начинает испытывать в них недочет — заряжается положительно. При всем этом количество частиц остаётся постоянным.
Исследование разделения посодействовало открыть закон сохранения электрических зарядов. Он говорит, что их алгебраическая сумма приравнивается нулю. Но это утверждение справедливо только для изолированной системы — той, на которую не действуют посторонние наружные силы. Математическое описание закона смотрится так: |q1| + |q2| = 0, где q — величины зарядов, взятые по модулю.
Как оказывается, закон сохранения осуществляется как для макромира, так и для микромира. К примеру, нейтрон в ядре находится в размеренном состоянии. Если его отделить, то через пару минут он распадётся на протон p + , электрон e — и антинейтрино V. В конечном итоге: q = qp + qe + qv = 0.
Необходимо подчеркнуть, что протон и электрон являются носителями простого заряда, другими словами самого малеханького по величине из вероятного в природе: e = 1,6 * 10 -19 кулонов [Кл]. Для частиц он однообразный по величине и отличается только знаком.
Величина заряда
В физике количественно величину заряда определяют в кулонах. Если взять два заряда по одному кулону и расположить их на расстоянии один метр друг от друга, то сила их взаимодействия составит 9 * 10 9 ньютон [Н].
В некоторых случаях можно вынудить двигаться заряды ориентировано. В данном случае молвят о возникновении электрического тока. За одно и то же время через поперечное сечение проводника количество прошедших частиц может быть различным. Потому ввели такое понятие, как сила тока. На самом деле, этот параметр определяет скорость движения зарядов. Находится он по формуле: I = q / t. Измеряется сила в единицах, получивших название ампер [А].
При протекании электрического тока происходят следующие явления:
- термические — выделение света, нагрев;
- хим — протекание в воды сопровождается порождением реакций;
- магнитные — оказывается воздействие на дипольные моменты.
Из обозначенных действий в качестве образца кулона было решено применять последнее действие. Если ток протекает по двум параллельным проводникам в одну сторону, то они притягиваются, а если в другую — отталкиваются.
Можно представить два тонких нескончаемо длинноватых провода, находящихся в вакууме, которые расположены на расстоянии один метр, при всем этом по ним течёт ток, равняющийся 1А. В данном случае между проводниками возникнет сила, равная 2 * 10 -7 Н на каждый метр длины. Из определения силы тока можно выразить заряд: q = I * t. Означает, один кулон приравнивается произведению ампера на секунду. Другими словами, это заряд, протекающий через поперечное сечение проводника с током силой в один ампер за единицу времени.
Для обнаружения электрических зарядов применяется устройство, построенное в 1600 году Уильямом Гилбертом — электроскоп. Измеритель относится к простым устройствам, потому его точность в определении величины является низкой, но вкупе с тем он позволяет выяснить символ заряда того либо другого тела. Существует его более совершённая модель — электромер.
Опыт Кулона
Точечный заряд является аналогом вещественной точки в области механики. С его помощью могут быть довольно точно изображены взаимодействия заряженных тел. Верно ли понимается процесс воздействия заряженных тел друг на друга, в 1782 году решил проверить французский инженер и исследователь Шарль Огюстен де Кулон.
Его экспериментальная работа и проведённый по ней анализ дозволил сконструировать закон, позднее нареченный его именованием. Он говорит, что два точечных недвижных заряда, находящиеся в вакууме, производят взаимодействие силами, лежащими на одной прямой, проходящей через них, которые зависят от произведения их модулей и квадрата расстояния между ними. В математическом виде закон Кулона записывается так: F = k * (|q1| * |q2| / r2), где k — неизменная, равняющаяся 9 * 10 9 [Н*м2 / Кл].
Исследование того, почему осуществляется взаимодействие, и как его можно оценить количественно, позволило учёному выполнить принципиальные для развития науки выводы:
- сила воздействия зарядов друг на друга прямо пропорциональна величинам их модулей;
- квадрат расстояния между взаимодействующими частичками назад пропорционален силе.
Так как Кулон был военным инженером, в главном он занимался исследованием деформации через силы трения и кручения. Для проведения тестов изобретатель выдумал крутильные весы. Состояли они из серебряной проволоки, прикреплённой к вращающемуся диску. К нему была приделана стрелка и шкала. С другого конца проволоки крепилось коромысло, сделанное из шёлковой нити, покрытой сургучом. На планке размещался шарик.
Через отверстие в корпусе Кулон при помощи диэлектрического стержня опускал вовнутрь устройства заряженный шар и соприкасал его с установленной сферой в приборе. Так как они были одинакового размера, то заряд перераспределялся поровну и был одноимённый. Тем самым коромысло разворачивалось и занимало определённое положение.
После соприкосновения Кулон определял угол отличия. Поворачивая стержень, инженер добивался уменьшения угла вдвое. При всем этом он отмечал, что крутить ручку приходилось на большее значение. В итоге бессчетных опытов учёный установил, что при уменьшении расстояния между телами вдвое угол закручивания изменялся вчетверо. Приобретенная информация и дозволила Кулону вывести один из основных законов взаимодействия тел.
