Электромагнитное фундаментальное взаимодействие доклад
Обновлено: 04.07.2024
В середине и второй половине ХХ века в тех разделах физики, которые заняты изучением фундаментальной структуры материи, были получены поистине удивительные результаты. Прежде всего это проявилось в открытии целого множества новых субатомных частиц. Их обычно называют элементарными частицами, но далеко не все из них действительно элементарны. Элементарные частицы в точном значении этого термина — первичные, далее неразложимые частицы, из которых, по предположению, состоит вся материя, но многие из них в свою очередь состоят из еще более элементарных частичек.
Каждая элементарная частица (за исключением абсолютно нейтральных частиц) имеет свою античастицу.
Cуществование элементарных частиц физики обнаружили при изучении ядерных процессов, поэтому вплоть до середины XX века физика элементарных частиц была разделом ядерной физики. В настоящее время физика элементарных частиц и ядерная физика являются близкими, но самостоятельными разделами физики, объединенными общностью многих рассматриваемых проблем и применяемыми методами исследования. Главная задача физики элементарных частиц — это исследование природы, свойств и взаимных превращений элементарных частиц.
В 60-70-е годы физики были совершенно сбиты с толку многочисленностью, разнообразием и необычностью вновь открытых субатомных частиц. Казалось, им не будет конца. Совершенно непонятно, для чего столько частиц. Являются ли эти элементарные частицы хаотическими и случайными осколками материи? Или, возможно, они таят в себе ключ к познанию структуры Вселенной? Развитие физики в последующие десятилетия показало, что в существовании такой структуры нет никаких сомнений. В конце ХХ века физика начинает понимать, каково значение каждой из элементарных частиц.
Миру субатомных частиц присущ глубокий и рациональный порядок. В основе этого порядка — фундаментальные физические взаимодействия.
Фундаментальные физические взаимодействия.
В свой повседневной жизни человек сталкивается с множеством сил, действующих на тела. Здесь и сила ветра или набегающего потока воды, давление воздуха, мощный выброс взрывающихся химических веществ, мускульная сила человека, вес тяжелых объектов, давление квантов света, притяжение и отталкивание электрических зарядов, сейсмические волны, вызывающие подчас катастрофические разрушения, и вулканические извержения, приводившие к гибели цивилизации, и т. д. Одни силы действуют непосредственно при контакте с телом, другие, например, гравитация, действуют на расстоянии, через пространство. Но, как выяснилось в результате развития теоретического естествознания, несмотря на столь большое разнообразие, все действующие в природе силы можно свести всего лишь к четырем фундаментальным взаимодействиям: гравитационное, электромагнитное, слабое и сильное. Именно эти взаимодействия в конечном счете отвечают за все изменения в мире, именно они являются источником всех преобразований тел и процессов. Элементарные частицы разделяются на группы по способностям к различным видам фундаментальных взаимодействий. Изучение свойств фундаментальных взаимодействий составляет главную задачу современной физики.
Гравитация.
В истории физики гравитация (тяготение) стала первым из четырех фундаментальных взаимодействий предметом научного исследования. После появления в ХVII в. ньютоновской теории гравитации - закона всемирного тяготения - удалось впервые осознать истинную роль гравитации как силы природы. Гравитация обладает рядом особенностей, отличающих ее от других фундаментальных взаимодействий.
Наиболее удивительной особенностью гравитации является ее малаяинтенсивность. Величина гравитационного взаимодействия между компонентами атома водорода составляет 10n, где n = -39, от силы взаимодействия электрических зарядов. Может показаться удивительным, что мы вообще ощущаем гравитацию, коль скоро она так слаба. Как она может оказаться господствующей силой во Вселенной?
Все дело во второй удивительной черте гравитации — ее универсальности. Ничто во Вселенной не избавлено от гравитации. Каждая частица испытывает на себе действие гравитации и сама является источником гравитации. Поскольку каждая частица вещества вызывает гравитационное притяжение, гравитация возрастает по мере образования все больших скоплений вещества. Мы ощущаем гравитацию в повседневной жизни потому, что все атомы Земли сообща притягивают нас. И хотя действие гравитационного притяжения одного атома пренебрежимо мало, но результирующая сила притяжения со стороны всех атомов может быть значительной.
Гравитация —дальнодействующая сила природы. Это означает, что, хотя интенсивность гравитационного взаимодействия убывает с расстоянием, оно распространяется в пространстве и может сказываться на весьма удаленных от источника телах. В астрономическом масштабе гравитационное взаимодействие, как правило, играет главную роль. Благодаря дальнодействию гравитация не позволяет Вселенной развалиться на части: она удерживает планеты на орбитах, звезды в галактиках, галактики в скоплениях, скопления в Метагалактике.
Сила гравитации, действующая между частицами, всегда представляет собой силу притяжения: она стремится сблизить частицы. Гравитационное отталкивание никогда еще не наблюдалось (хотя в традициях квазинаучной мифологии есть целая область, которая называется левитация — поиск "фактов" антигравитации). Поскольку энергия, запасенная в любой частице, всегда положительна и наделяет ее положительной массой, частицы под действием гравитации всегда стремятся сблизиться.
Чем является гравитация, неким полем или проявлением искривления пространства-времени, — на этот вопрос пока еще однозначного ответа нет. Существуют разные мнения и концепции физиков на сей счет.
Электромагнитное взаимодействие.
По величине электрические силы намного превосходят гравитационные. В отличие от слабого гравитационного взаимодействия, электрические силы, действующие между телами обычных размеров, можно легко наблюдать. Электромагнетизм известен людям с незапамятных времен (полярные сияния, вспышки молнии и др.).
В течение долгого времени электрические и магнитные процессы изучались независимо друг от друга. Решающий шаг в познании электромагнетизма сделал в середине XIX века Дж. К. Максвелл, объединивший электричество и магнетизм в единой теории электромагнетизма — первой единой теории поля.
Существование электрона было твердо установлено в 90-e годы прошлого столетия. Ныне известно, что электрический заряд любой частицы вещества всегда кратен фундаментальной единице заряда — своего рода "атому" заряда. Почему это так — чрезвычайно интересный вопрос. Однако не все материальные частицы являются носителями электрического заряда. Например, фотон и нейтрино электрически нейтральны. В этом отношении электричество отличается от гравитации. Все материальные частицы создают гравитационное поле, тогда как с электромагнитным полем связаны только заряженные частицы. Переносчиком электромагнитного взаимодействия между заряженными частицами является электромагнитное поле, или кванты поля — фотоны.
Как и электрические заряды, одноименные магнитные полюса отталкиваются, а разноименные — притягиваются. Однако в отличие от электрических зарядов магнитные полюса встречаются не по отдельности, а только парами — северный полюс и южный полюс. Еще с древнейших времен известны попытки получить посредством разделения магнита лишь один изолированный магнитный полюс — монополь. Но все они заканчивались неудачей. Может быть, существование изолированных магнитных полюсов в природе исключено? Определенного ответа на этот вопрос пока не существует. Некоторые теоретические концепции допускают возможность существования монополя.
Как электрическое и гравитационное взаимодействия, взаимодействие магнитных полюсов подчиняется закону обратных квадратов. Следовательно, электрическая и магнитная силы "дальнодействующие", и их действие ощутимо на больших расстояниях от источника. Так, магнитное поле Земли простирается далеко в космическое пространство. Мощное магнитное поле Солнца заполняет всю Солнечную систему. Существуют и галактические магнитные поля.
Электромагнитное взаимодействие определяет структуру атомов и отвечает за подавляющее большинство физических и химических явлений и процессов. Электромагнитное взаимодействие приводит также к излучению электромагнитных волн.
В своей повседневной жизни человек сталкивается с множеством сил, действующих на тела. Здесь и сила ветра или набегающего потока воды, давление воздуха, мощный выброс взрывающихся химических веществ, мускульная сила человека, вес тяжелых объектов, давление квантов света, притяжение и отталкивание электрических зарядов, сейсмические волны, вызывающие подчас катастрофические разрушения, и вулканические извержения, приводившие к гибели цивилизации, и т. д. Одни силы действуют непосредственно при контакте с телом, другие, например, гравитация, действуют на расстоянии, через пространство. Но, как выяснилось в результате развития теоретического естествознания, несмотря на столь большое разнообразие, все действующие в природе силы можно свести всего лишь к четырем фундаментальным взаимодействиям. Именно эти взаимодействия в конечном счете отвечают за все изменения в мире, именно они являются источником всех преобразований тел и процессов.
Содержание
Введение.
1. Электромагнитное взаимодействие: его общая характеристика и значение.
2. Передача электрической энергии и изобретение электродвигателя.
3.Передача информации: радио, телевидение и мобильная связь.
Заключение.
Список литературы.
Прикрепленные файлы: 1 файл
реферат.docx
Электромагнитное взаимодействие: передача энергии и информации
студентка группы ИМ-13
Котова Кристина Вячеславовна.
Новожилов Валерий Сергеевич
1. Электромагнитное взаимодействие: его общая характеристика и значение.
2. Передача электрической энергии и изобретение электродвигателя.
3.Передача информации: радио, телевидение и мобильная связь.
В своей повседневной жизни человек сталкивается с множеством сил, действующих на тела. Здесь и сила ветра или набегающего потока воды, давление воздуха, мощный выброс взрывающихся химических веществ, мускульная сила человека, вес тяжелых объектов, давление квантов света, притяжение и отталкивание электрических зарядов, сейсмические волны, вызывающие подчас катастрофические разрушения, и вулканические извержения, приводившие к гибели цивилизации, и т. д. Одни силы действуют непосредственно при контакте с телом, другие, например, гравитация, действуют на расстоянии, через пространство. Но, как выяснилось в результате развития теоретического естествознания, несмотря на столь большое разнообразие, все действующие в природе силы можно свести всего лишь к четырем фундаментальным взаимодействиям. Именно эти взаимодействия в конечном счете отвечают за все изменения в мире, именно они являются источником всех преобразований тел и процессов.
Изучение свойств фундаментальных взаимодействий составляет главную задачу современной физики. Взаимодействие- основная причина движения материи, поэтому взаимодействие присуще всем материальным объектам независимо от их происхождения и системной организации. Особенности различных взаимодействий определяют условия существования и специфику свойств материальных объектов.
Фундаментальные взаимодействия — различные, не сводящиеся друг к другу типы взаимодействия элементарных частиц и составленных из них тел. На сегодня достоверно известно существование четырех фундаментальных взаимодействий: гравитационного, электромагнитного, сильного и слабого взаимодействий. Ведутся поиски других типов взаимодействий, как в явлениях микромира, так и в космических масштабах, однако пока существование какого-либо другого типа взаимодействия не обнаружено.
Важнейшей характеристикой фундаментального взаимодействия является его радиус действия. Радиус действия – это максимальное расстояние между частицами, за пределами которого их взаимодействием можно пренебречь. При малом радиусе взаимодействие называют короткодействующим, при большом – дальнодействующим.
Среди четырёх типов взаимодействий, открытых наукой, электромагнитные взаимодействия занимают первое место по широте и разнообразию проявлений. Сама жизнь немыслима без электромагнитных сил.
1. Электромагнитное взаимодействие: его общая характеристика и значение.
Электромагнитное взаимодействие- одно из четырёх фундаментальных взаимодействий. Электромагнитное взаимодействие является универсальным и существует между любыми телами в микро-, макро- и мегамире. Электромагнитное взаимодействие обусловлено электрическими зарядами и передаётся с помощью электрического и магнитного полей. Электрическое поле возникает при наличии электрических зарядов , а магнитное- при движении электрических зарядов. Электромагнитное взаимодействие описывается законом Кулона, законом Ампера и в обобщённом виде- электромагнитной теорией Максвелла, связывающей электрическое и магнитное поля. Благодаря электромагнитному взаимодействию возникают атомы, молекулы и происходят химические реакции. Химические реакции представляют собой проявление электромагнитных взаимодействий и являются результатами перераспределения связей между атомами в молекулах, а также количества и состава атомов в молекулах разных веществ. В частности, величина элементарного электрического заряда определяет размеры атомов и длину связей в молекулах.
Переносчиками электромагнитного взаимодействия являются фотоны - кванты электромагнитного поля с нулевой массой покоя.
Электромагнитное взаимодействие отличается от слабого и сильного взаимодействия своим дальнодействующим характером. По силе электромагнитное взаимодействие слабее сильного (ядерного), но сильнее слабого (распадного) взаимодействия. Электромагнитное взаимодействие заряженных частиц намного сильнее гравитационного, и, единственная причина, по которой электромагнитное взаимодействие не проявляется с большей силой в космических масштабах- электрическая нейтральность материи, то есть наличие в каждой области Вселенной с высокой степенью точности равных количеств положительных и отрицательных зарядов.
За счёт дальнодействия электромагнитное взаимодействие заметно проявляется как на макроскопическом, так и на микроскопическом уровнях. Фактически, подавляющее большинство физических сил в классической механике - силы упругости, силы трения, силы поверхностного натяжения и т.д.- имеют электромагнитную природу.
Характеристика основных взаимодействий. Таблица 1.
Радиус действия (м)
Электрически заряженные частицы
Частицы, входящие в состав ядер (протоны, нейроны)
Электромагнитное взаимодействие определяет большинство физических свойств макроскопических тел и, в частности, изменение этих свойств при переходе из одного агрегатного состояния в другое.
Электрические, магнитные и оптические явления также сводятся к электромагнитному взаимодействию.
2.Передача электрической энергии и изобретение электродвигателя.
Изучение природы электромагнитного взаимодействия приведёт нас к одному из самых фундаментальных понятий физики- электромагнитному полю.
Электродинамика-это наука о свойствах и закономерностях поведения особого вида материи- электромагнитного поля, осуществляющего взаимодействие между электрически заряженными телами или частицами. К созданию электродинамики привела длинная цепь планомерных исследований и случайных открытий, начиная с обнаружения способности янтаря, потёртого о шерсть. Притягивать лёгкие предметы и кончая теорией Максвелла о порождении магнитного поля переменным электрическим полем. Лишь во второй половине 19 в., после создания электродинамики, началось широкое практическое использование электромагнитных явлений.
При развитии электродинамики впервые научные исследования предшествовали техническим достижениям. Если паровая машина была построена задолго до создания теории тепловых процессов, то сконструировать электродвигатель оказалось возможным лишь после открытия и изучения законов электродинамики. В 1821 г.Фарадей установил опытным путём возможность построения электродвигателя. Первые двигатели работали только на постоянном токе.Сейчас наиболее распространены двигатели переменного тока.
Электродвигатель представляет собой устройство преобразования электрической энергии в механическую. Основной принцип, благодаря которому работают двигатели-это закон Ампера.
Принцип работы электродвигателя:
Он гласит, что проволока с электрическим током имеет магнитное поле вокруг себя. Представьте себе ток, протекающий через проволочную петлю. Этот ток создает магнитное поле вокруг провода. Поскольку само кольцо стало магнитом, с одной стороны оно будет притягиваться к северному (N) полюсу магнита, а другая — к южному (S). Петля начнет вращаться (показано стрелкой).
Создание машин постоянного тока и начальные шаги в развитии электрического освещения и электрического привода не могли бы внести кардинальных изменений в производственную практику, если бы не была решена задача передачи энергии на расстояние.
Передача электрической энергии- это передача при помощи электрического тока механической работы, производимой в одном месте, в другое, более или менее удалённое от первого. Работа источника механической энергии (паровой машины, турбины и т.п.) затрачивается на вращение динамо-машины и, таким образом, превращается в энергию электрического тока, который по соответствующим проводам проводиться в одно или несколько мест, куда энергия должна быть доставлена и там пускается в электродвигатели, превращающие электрическую энергию тока обратно в механическую. Следовательно, для передачи энергии нужны: 1) генераторы, превращающие механическую энергию в электрическую; 2) провода, по которым эта последняя передаётся; 3)двигатели, обращающие электрическую энергию в механическую.
Первые опыты передачи электрической энергии на расстояние относятся к началу 70-х годов 19 в. В 1873 г. французский физик И.Фонтен демонстрировал на Венской международной выставке свойство обратимости электрических машин: приводил в действие двигатель (машину Грамма) от генератора. Двигатель и генератор соединялись между собой кабелем длиной в 1 км. Таким образом была доказана принципиальная возможность передачи механической энергии на относительно большое расстояние путём двойного преобразования энергии. Прогрессивный путь решения проблемы передачи электрической энергии нашли в 1880 г. французский учёный М.Депре и русский физик Д.А.Лачинов. Математическим анализом существа физических процессов в системе генератор-линия-двигатель они показали, что эффективность электропередачи может быть достигнута при увеличении напряжения в линии. Вскоре была осуществлена передача постоянного тока на напряжение 12кВ, но электропередачи постоянного тока столь высокого напряжения были единичны. Трудности создания машин высокого напряжения и преобразования тока высокого напряжения в ток низкого напряжения у потребителей заставили обратиться с середины 90-х годов к исследованию свойств переменных токов.
В 1889 г. русским инженером М. О. Доливо-Добровольским был изобретён первый трёхфазный двигатель переменного тока. По своим техническим показателям двигатель Доливо-Добровольского превосходили все существовавшие тогда электромоторы — обладая очень высоким КПД, они безотказно работали в любых режимах, были надежны и просты в обращении. Поэтому они сразу получили широкое распространение по всему миру. С этого времени началось быстрое внедрение электродвигателей во все сферы производства и повсеместная электрификация промышленности.
3.Передача информации: радио, телевидение и мобильная связь.
Электромагнитные волны распространяются на огромные расстояния, поэтому с их помощью передают информацию, в том числе звук (радио) и изображение (телевидение).Английский учёный Джеймс Максвелл в 1864 году теоритически предсказал существование электромагнитных волн. В 1887 году их экспериментально обнаружил Генрих Герц.
Передачу информации с помощью электромагнитных волн впервые осуществил российский инженер Александр Степанович Попов.7 мая 1895 года Попов продемонстрировал работу прибора, который регистрировал электромагнитные волны, порождённые удалённой грозой, а 24 марта 1896 года передал первую в мире радиограмму. Однако работы Попова не получили тогда развития в России.
В Италии передачей информацией с помощью электромагнитных волн активно занимался инженер Гульельмо Маркони. Он также не нашёл поддержки у себя на родине и уехал в Англию, где заинтересовал своими разработками Адмиралтейство. В 1901 году Маркони осуществил передачу радиосигналов через Атлантический океан, доказав, что радиоволны могут огибать Землю.
На приведённых ниже рисунках схематически представлены основные этапы передачи и приёма радиоволн.
Телевидение— комплекс устройств для передачи движущегося изображения и звука на расстояние. Вместе с радиовещанием является наиболее массовым средством распространения информации, а также одним из основных средств связи. Идея о том, что движущееся изображение может передаваться по радио, подобно звуку, принадлежит шотландскому инженеру Джону Лоджи Бэрду. Он нашел способ, как разбить изображение на отдельные линии, которые можно записать в виде электрических колебаний и передавать по радио, воспользовавшись изобретением немца Пауля Нипкова – специальным вращающимся диском с отверстиями. В 1925 году Бэйрд продемонстрировал свою телеаппаратуру в работе сотрудникам Королевского Института в Лондоне. Картинка на экране оказалась очень грубой и размытой, однако первый шаг был сделан. Качественное телевизионное изображение будет получено лишь с созданием кинескопа и иконоскопа – специальных электронно-лучевых трубок. Создание иконоскопа стало настоящим прорывом в чёткости изображения электронного телевидения, что решило в конце концов в его пользу спор с механическим телевидением.Он был изобретён в 1923 году русским эмигрантом Владимиром Зворыкиным, а запатентован Семёном Катаевым в 1931 году. 18 декабря 1953 года в США было начато первое в мире цветное телевещание .
Телевидение основано на принципе последовательной передачи элементов изображения с помощью радиосигнала или по проводам. Разложение изображения на элементы происходит при помощи диска Нипкова, электронно-лучевой трубки или полупроводниковой матрицы. Количество элементов изображения выбирается в соответствии с полосой пропускания радиоканала и физиологическими критериями. Для сужения полосы передаваемых частот и уменьшения заметности мерцания экрана телевизора применяют чересстрочную развёртку. Также она позволяет увеличить плавность передачи движения.
Электромагнитное взаимодействие – это взаимодействие, осуществляемое между заряженным телом (или несколькими телами) и электромагнитным полем.
Электромагнитное поле в данном случае выступает основным проводником между заряженными частицами.
Электромагнитное взаимодействие относится к так называемым фундаментальным взаимодействиям (наряду с сильным, слабым и гравитационным). Его проявления видны повсюду в окружающем нас мире. Электромагнитная природа характерна для многих сил в механике, например, сил упругости, натяжения и других.
Источником электромагнитного поля служат заряженные частицы. Взаимодействие нейтральных (лишенных заряда) частиц осуществляется благодаря квантовым эффектам или особенностям их сложной внутренней структуры. Именно это является основным отличием электромагнитного поля от гравитационного, сила воздействия которого распространяется на все частицы без исключения. Однако именно электромагнитное взаимодействие обеспечивает существование молекул и атомов, потому что они связаны между собой электромагнитными силами. Таким образом, именно этот тип взаимодействия лежит в основе всех явлений на нашей планете.
Электромагнитную природу имеют и химические силы, поскольку они объединяют атомы в молекулы. Сила воздействия электромагнитного поля значительно больше, чем гравитационного. В отличие от сильного и слабого взаимодействия радиусом его действия является бесконечность. Такую особенность можно объяснить тем, что главным переносчиком электромагнитного поля является фотон, не имеющий массы.
От слабого взаимодействия электромагнитные силы также отличаются тем, что по отношению к заряду и пространству они всегда сохраняют свою четность. Однако в отличие от сильного взаимодействия, в нем не происходит сохранения изотопического спина.
Сравнение сил электромагнитного взаимодействия с гравитационными
Попробуем сравнить электромагнитное взаимодействие с гравитационным на основе их отношения к протону. Он является стабильной частицей с массой m p = 1 , 67 · 10 - 27 к г и зарядом q p = 1 , 6 · 10 - 19 К л .
| № | Параметр сравнения | Электромагнитное взаимодействие | Гравитационное взаимодействие |
| 1 | Источник | Электрический заряд | Тензор энергии-импульса |
| 2 | Продолжительность | 10 - 21 c | 10 16 с |
| 3 | Тип проявления | Существование молекул, атомов и химических сил | Универсальное с участием всех частиц |
| 4 | Радиус распространения | Бесконечный | Бесконечный |
| 5 | Переносчик | Фотон | Гравитон |
| 6 | Какие частицы взаимодействуют | Заряженные частицы, нейтральные частицы с определенной структурой | Все без исключения |
| 7 | Статическая сила взаимодействия между протонами | F e = q p 2 4 π ε ε 0 r 2 , где ε 0 = 8 , 8 · 10 - 12 Ф м является электрической постоянной, ε - диэлектрической проницаемостью среды, а r – расстоянием между частицами. | F g = G m p 2 r 2 где показатель G равен 6 , 67 · 10 - 11 м 3 к г с 2 , а r означает расстояние между частицами. |
Что такое постоянная электромагнитного взаимодействия
Существует важная величина, называемая постоянной электромагнитного взаимодействия, которая выражается так:
a = e 2 4 π ε 0 h c .
Здесь заряд электрона будет равен e = - 1 , 6 · 10 - 19 К л , а скорость света, распространяющегося в вакууме, – h = h 2 π = 1 , 05 · 10 - 34 Д ж · c , c = 3 · 10 8 м с . Вычислим значение постоянной:
α = ( 1 , 6 · 10 - 19 ) 2 4 · 3 , 14 · 8 , 8 · 10 - 12 · 1 , 05 · 10 - 34 3 · 10 8 ≈ 2 , 56 · 10 - 38 348 , 15 · 10 - 38 ≈ 1 137 .
Разберем несколько примеров применения постоянной в решении задач.
Условие: в вакууме на расстоянии одного метра находятся два протона. Определите силу электростатического и гравитационного взаимодействия между ними.
Решение
Чтобы найти силу гравитации, нам нужно использовать формулу F g = G m p 2 r 2 . Здесь расстояние между частицами будет равно G = 6 , 67 · 10 - 11 м 3 к г с 2 , а m p = 1 , 67 · 10 - 27 к г .
Вычислим значение с учетом этих данных:
F g = 6 , 67 · 10 - 11 1 , 67 · 10 - 27 2 1 2 = 18 , 6 · 10 - 45 ( Н ) .
Для нахождения силы электростатического взаимодействия нам потребуется закон Кулона:
F e = q p 2 4 π ε ε 0 r 2 .
Здесь электрическая постоянная будет равна ε 0 = 8 , 8 · 10 - 12 Ф м . Буквой ε обозначена диэлектрическая проницаемость среды. В вакууме значение данного параметра будет равно единице. Заряд протона такой же, как у электрона, но с противоположным знаком: q p = 1 , 6 · 10 - 19 К л .
У нас есть все нужные данные для расчета. Вычислим ответ:
F e = 1 , 6 · 10 - 19 2 4 · 3 , 14 · 8 , 8 · 10 - 12 · 1 2 = 2 , 56 · 10 - 38 110 , 53 · 10 - 12 = 2 , 31 · 10 - 28 ( Н ) .
Ответ: итоги расчета говорят нам о том, что два протона будут испытывать силу гравитационного притяжения на заданном расстоянии, равную 18 , 6 · 10 - 45 Н . Электростатическое отталкивание в этом случае будет значительно больше: 2 , 31 · 10 - 28 Н .
Условие: найдите значение удельного заряда частицы, при котором сила гравитационного воздействия будет равна по модулю силе электростатического. Взаимодействующие частицы при этом будут одинаковы.
Решение
Решить эту задачу можно с помощью закона всемирной гравитации и закона Кулона.
F g = G m 2 r 2 , буквой m обозначена масса частицы, G – гравитационная постоянная, а r расстояние, на котором расположены частицы.
F e = q 2 4 π ε ε 0 r 2 , буквой q обозначен заряд каждой частицы, ε 0 – электрическая постоянная, а r расстояние между частицами.
Согласно первоначальным условиям, F g = F e , значит, G m 2 r 2 = q 2 4 π ε ε 0 r 2 и 4 π ε ε 0 G m 2 = q 2 → q m = 4 π ε ε 0 G .
Допустим, что данные частицы находятся в вакууме, тогда ε = 1 . Зная, что значение гравитационной постоянной G = 6 , 67 · 10 - 11 м 3 к г с 2 , а электрической – ε 0 = 8 , 8 · 10 - 12 Ф м , можем вычислить ответ:
q m = 4 · 3 , 14 · 8 , 8 · 10 - 12 · 6 , 67 · 10 - 11 ≈ 8 , 9 · 10 - 11 .
Ответ: искомый заряд частицы будет равен 8 , 9 · 10 - 11 К л к г .
ГОСТ
Что такое электромагнитное взаимодействие
Электромагнитным взаимодействием называют взаимодействие между заряженными телами и заряженным телом и электромагнитным полем. Это взаимодействие между заряженными частицами осуществляется через электромагнитное поле.
Проведем сравнение гравитационного и электромагнитного взаимодействия по отношению к протону, стабильной частице, которая имеет массу равную $m_p=1,67\cdot ^кг$, заряд протона $q_p=1,6\cdot ^Кл$.
Постоянная электромагнитного взаимодействия
Электромагнитное взаимодействие в микромире характеризуется такой величиной как постоянная электромагнитного взаимодействия $\alpha $, которая определяется как:
где $e=-1,6\cdot ^Кл$ -- заряд электрона, $\hbar =\frac<2\pi >=1,05\cdot ^Дж\cdot с$. $с=3•10^8\ \frac$ -- скорость света в вакууме.
Тогда $\alpha \ $равна:
Задание: Сравнить силы гравитационного и электростатического взаимодействия между двумя протонами на расстоянии один метр, если частицы находятся в вакууме.
Силе гравитационного взаимодействия вычисляется по формуле:
где $G=6,67^\frac$, r -- расстояние между частицами, $m_p=1,67\cdot ^кг$.
Данные в системе СИ, проведем вычисление силы гравитационного притяжения двух протонов ($F_g$):
Силу электростатического взаимодействия вычислим по закону Кулона ( в системе СИ):
где$_0=8,8\cdot ^\frac$- электрическая постоянная, $\varepsilon $- диэлектрическая проницаемость среды (для вакуума $\varepsilon =1$), $r$ -- расстояние между частицами, заряд протона равен заряду электрона, но со знаком плюс: $q_p=1,6\cdot ^Кл.$
Ответ: После проведенных вычислений мы получили, что сила гравитационного притяжения между двумя протонами на расстоянии 1 метр будет равна $18,6\cdot ^Н$, а сила электростатического отталкивания между теми же протонами на расстоянии 1 метр будет существенно больше и равна: $2,31\cdot ^\ Н.$
Готовые работы на аналогичную тему
Задание: При каком значении удельного заряда $\frac$ частицы силы гравитационного и электростатического взаимодействия будут равны по модулю, если взаимодействуют две одинаковые частицы?
Основой для решения являются закон всемирной гравитации и закон Кулона:
где $G$- гравитационная постоянная, $m$ -- массы каждой частицы, $r$ -- расстояние между частицами.
где $q$ - заряд каждой частицы, $_0$- электрическая постоянная (для системы СИ), $r$ -- расстояние между частицами.
По условию задачи:
В выражении (2.4) $\varepsilon =1$ (будем считать, что частицы находятся в вакууме), $_0=8,8•^\frac$- электрическая постоянная (в системе СИ), $G=6,67^\frac$ -- гравитационная постоянная. Подставим имеющиеся данные в уравнение (2.4), найдем искомый удельный заряд:
Ответ: Удельный заряд частицы (одной из двух одинаковых) должен быть равен $8,9^\frac.$
Читайте также: