Электрический заряд конспект кратко
Обновлено: 07.07.2024
Многие из окружающих нас физических явлений, происходящих в природе, не находят объяснения в законах механики, термодинамики и молекулярно-кинетической теории. Такие явления основываются на влиянии сил, действующих между телами на расстоянии и независимых от масс взаимодействующих тел, что сразу отрицает их возможную гравитационную природу. Данные силы называются электромагнитными.
Еще древние греки имели некоторое представление об электромагнитных силах. Однако только в конце XVIII века началось систематическое, количественное изучение физических явлений, связанных с электромагнитным взаимодействием тел.
Благодаря кропотливому труду большого количества ученых в XIX веке было завершено создание абсолютно новой стройной науки, занимающейся изучением магнитных и электрических явлений. Так один из важнейших разделов физики, получил название электродинамики.
Создаваемые электрическими зарядами и токами электрические и магнитные поля стали ее основными объектами изучения.
Электрическое поле
Понятие заряда в электродинамике играет ту же роль, что и гравитационная масса в механике Ньютона. Оно входит в фундамент раздела и является для него первичным.
Электрический заряд представляет собой физическую величину, которая характеризует свойство частиц или тел вступать в электромагнитные силовые взаимодействия.
Буквами q или Q в электродинамике обычно обозначают электрический заряд.
В комплексе все известные экспериментально доказанные факты дают нам возможность сделать следующие выводы:
Существует два рода электрических зарядов. Это, условно названные, положительные и отрицательные заряды.
Заряды могут переходить (к примеру, при непосредственном контакте) между телами. Электрический заряд, в отличие от массы тела, не является его неотъемлемой характеристикой. Одно конкретное тело в различных условиях может принимать разное значение заряда.
Одноименные заряды отталкиваются, разноименные – притягиваются. В данном факте проявляется очередное принципиальное различие электромагнитных и гравитационных сил. Гравитационные силы всегда представляют собой силы притяжения.
Закон сохранения электрического заряда является одним из фундаментальных законов природы.
В изолированной системе алгебраическая сумма зарядов всех тел неизменна:
q 1 + q 2 + q 3 + . . . + q n = c o n s t.
Закон сохранения электрического заряда утверждает, что в замкнутой системе тел не могут наблюдаться процессы рождения или исчезновения зарядов только одного знака.
С точки зрения современной науки, носителями зарядов являются элементарные частицы. Любой обычный объект состоит из атомов. В их состав входят несущие положительный заряд протоны, отрицательно заряженные электроны и нейтральные частицы – нейтроны. Протоны и нейтроны являются составной частью атомных ядер, электроны же образуют электронную оболочку атомов. По модулю электрические заряды протона и электрона эквивалентны и равняются значению элементарного заряда e .
В нейтральном атоме количество электронов в оболочке и протонов в ядре одинаково. Число любых из списка приведенных частиц называется атомным номером.
Подобный атом имеет возможность как потерять, так и приобрести один или несколько электронов. Когда такое происходит, нейтральный атом становится положительно или отрицательно заряженным ионом.
Заряд может переходить от одного тела к другому лишь порциями, в которых содержится целое число элементарных зарядов. Выходит, что электрический заряд тела является дискретной величиной:
q = ± n e ( n = 0 , 1 , 2 , . . . ).
Физические величины, имеющие возможность принимать исключительно дискретный ряд значений, называются квантованными.
Элементарный заряд e представляет собой квант, то есть наименьшую возможную порцию электрического заряда.
Несколько выбивается из всего вышесказанного факт существования в современной физике элементарных частиц так называемых кварков – частиц с дробным зарядом ± 1 3 e и ± 2 3 e .
Однако наблюдать кварки в свободном состоянии ученым так и не довелось.
Для обнаружения и измерения электрических зарядов в лабораторных условиях обычно используют 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. Соприкасаясь со стержнем электрометра, заряженное тело провоцирует распределение по стержню и стрелке электрических зарядов одного знака. Воздействие сил электрического отталкивания становится причиной отклонения стрелки на некоторый угол, по которому можно определить заряд, переданный стержню электрометра.
Рисунок 1 . 1 . 1 . Перенос заряда с заряженного тела на электрометр.
Электрометр – достаточно грубый прибор. Его чувствительность не позволяет исследовать силы взаимодействия зарядов. В 1785 году был впервые открыт закон взаимодействия неподвижных зарядов. Первооткрывателем стал французский физик Ш. Кулон. В своих опытах он измерял силы притяжения и отталкивания заряженных шариков с помощью сконструированного им прибора для измерения электрического заряда – крутильных весов (рис. 1 . 1 . 2 ), обладающих крайне высокой чувствительностью. Коромысло весов поворачивалось на 1 ° под действием силы приблизительной 10 – 9 Н .
Идея измерений основывалась на догадке физика о том, что при контакте заряженного шарика с таким же незаряженным, имеющийся заряд первого разделится на равные части между телами. Так был получен способ изменять заряд шарика в два или более раз.
Кулон в своих опытах измерял взаимодействие между шариками, размеры которых значительно уступали разделяющему их расстоянию, из-за чего ими можно было пренебречь. Подобные заряженные тела принято называть точечными зарядами.
Рисунок 1 . 1 . 2 . Прибор Кулона.
Рисунок 1 . 1 . 3 . Силы взаимодействия одноименных и разноименных зарядов.
Основываясь на множестве опытов, Кулон установил следующий закон:
Силы взаимодействия неподвижных зарядов прямо пропорциональны произведению модулей зарядов и обратно пропорциональны квадрату расстояния между ними: F = k q 1 · q 2 r 2 .
Силы взаимодействия являются силами отталкивания при одинаковых знаках зарядов и силами притяжения при разных знаках (рис. 1 . 1 . 3 ), а также подчиняются третьему закону Ньютона:
F 1 → = - F 2 → .
Кулоновским или же электростатическим взаимодействием называют воздействие друг на друга неподвижных электрических зарядов.
Раздел электродинамики, посвященный изучению кулоновского взаимодействия, называется электростатикой.
Закон Кулона может быть применим по отношению к точечным заряженным телам. На практике, он в полной мере выполняется в том случае, если размерами заряженных тел можно пренебречь из-за значительно превышающего их расстояния между объектами взаимодействия.
Коэффициент пропорциональности k в законе Кулона зависим от выбора системы единиц.
В Международной системе С И единицу измерения электрического заряда представляет кулон ( К л ) .
Кулон – это заряд, проходящий за 1 с через поперечное сечение проводника при силе тока 1 А . Единица силы тока (ампер) в С И является наряду с единицами длины, времени и массы основной единицей измерения.
Коэффициент k в системе С И в большинстве случаев записывается в виде следующего выражения:
В котором ε 0 = 8 , 85 · 10 - 12 К л 2 Н · м 2 является электрической постоянной.
В системе С И элементарный заряд e равняется:
e = 1 , 602177 · 10 - 19 К л ≈ 1 , 6 · 10 - 19 К л .
Опираясь на опыт, можно сказать, 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.
Принцип суперпозиции
На рисунке 1 . 1 . 4 на примере электростатического взаимодействия трёх заряженных тел поясняется принцип суперпозиции.
Рисунок 1 . 1 . 4 . Принцип суперпозиции электростатических сил F → = F 21 → + F 31 → ; F 2 → = F 12 → + F 32 → ; F 3 → = F 13 → + F 23 → .
Рисунок 1 . 1 . 5 . Модель взаимодействия точечных зарядов.
Несмотря на то, что принцип суперпозиции является фундаментальным законом природы, его использование требует некоторой осторожности, когда он применяется по отношению к взаимодействию заряженных тел конечных размеров. Примером таковых могут послужить два проводящих заряженных шара 1 и 2 . Если к подобной системе, состоящей из двух обладающих зарядом шаров поднести еще один заряженный шар, то взаимодействие между 1 и 2 претерпит изменения по причине перераспределения зарядов.
Принцип суперпозиции предполагает, что силы электростатического взаимодействия между двумя любыми телами не зависят от наличия других обладающих зарядом тел, при условии, что распределение зарядов фиксировано (задано).
Знакомство с явлениями электростатики лучше начинать в сухую погоду. Расчесывая волосы, снимая свитер можно наблюдать в темноте проскакивание крошечных искр и слабое потрескивание. Если потереть пластиковую расческу о волосы и поднести ее к мелким кусочкам бумаги, то они начнут притягиваться к расческе.
Взаимодействие наэлектризованных тел в состоянии покоя называется электростатическим взаимодействием.
Опыты по взаимодействию заряженных тел показали, что в природе существуют два вида заряда. Б. Франклин назвал один из них положительным, а другой – отрицательным. Разноименные заряды притягиваются, а одноименные – отталкиваются.
Различают следующие виды электризации:
- Трением.
- Соприкосновением.
- Через влияние
- При облучении.
При электризации тел трением всегда одновременно заряжаются оба участвующих в электризации тела (например, стекло и шелк). Причем одно из них приобретает положительный заряд, а другое – отрицательный. Если до электризации оба тела не были заряжены, то величина положительного заряда первого тела оказывается в точности равной величине отрицательного заряда второго тела.
Современная теория объясняет электризацию твердых тел как перемещение электронов, входящих в состав атомов любых тел, с одного тела на другое.
В состав ядра входят положительно заряженные элементарные частицы – протоны. На теле, приобретающем отрицательный заряд, образуется избыточное число электронов по сравнению с числом протонов, а на положительно заряженном теле оказывается недостаток электронов по сравнению с числом протонов.
Электрический заряд – характеристика заряженного тела. Минимальный заряд обозначается буквой e и равен 1,6·10 –19 Кл. Такой заряд имеют электрон и протон. Первые, наиболее точные определения заряда электрона были выполнены американским ученым Р. Милликеном и русским физиком А. Ф. Иоффе.
Для обнаружения и измерения электрического заряда используют электрометр. По углу отклонения стрелки модно судить о величине заряда.
Уменьшение числа электронов в одном теле равно увеличению их числа в другом. При этом полный заряд такой системы не изменяется, оставаясь равным нулю.
Сохранение числа протонов и электронов на соприкасающихся телах объясняет подтверждающийся опытом закон сохранения заряда: в электрически замкнутой системе алгебраическая сумма зарядов не меняется .
Количественное исследование взаимодействия заряженных тел осуществил в 1785 году французский физик Ш. Кулон (1736-1806). Он исследовал взаимодействие небольших заряженных металлических шариков при помощи крутильных весов.
На тонкой проволоке была подвешена стеклянная палочка с двумя металлическими шариками на концах. Одному шарику сообщали электрический заряд. Рядом с ним помещали неподвижный заряженный таким же по знаку зарядом шар. По углу поворота стеклянной палочки Ш.Кулон определял силу взаимодействия. Расстояние измерялось между центрами шаров.
Модуль силы взаимодействия F12 между двумя неподвижными точечными электрическими зарядами q1 и q2 в вакууме пропорционален произведению модулей этих зарядов и обратно пропорционален квадрату расстояния R12 между ними.
Точечный заряд – модель реальных заряженных тел, размер которых значительно меньше, чем расстояние между ними.
Если имеется система точечных зарядов, то сила, действующая на каждый из них, определяется как векторная сумма сил, действующих на данный заряд со стороны всех других зарядов системы. При этом сила взаимодействия данного заряда с каким-то конкретным зарядом рассчитывается так, как будто других зарядов нет.
Сила взаимодействия точечных зарядов зависит от свойств среды, в которой они находятся:
Свойства среды определяет диэлектрическая проницаемость среды ε.
Границы применимости закона Кулона:
- для точечных зарядов
- для неподвижных зарядов
- справедлив до расстояний не меньше 10 -15 м
Применение электризации
1.Электрофильтры.
Для очистки воздуха от пыли, например, при производстве цемента, очистки частиц дыма на ТЭС используют электрофильтры. Наэлектризованные частицы пыли притягиваются к заряженному элементу внутри фильтра.
2. Равномерное распыление краски краскопультом.
Электростатическая покраска используется для покрытия металлических поверхностей, например, в покрасочном цехе автомобильных кузовов. Для равномерного распыления краски на краскопульт подают отрицательный заряд, а кузову автомобиля сообщают положительный заряд. Отрицательно заряженные капельки краски равномерно распределяются по поверхности кузова, образуя прочный, ровный слой.
3. Изготовление наждачной бумаги.
4. Генератор высокого напряжения Ван де Граафа.
Электризация нашла практическое применение в науке и технике. До недавнего времени в ядерных исследованиях на ускорителях элементарных частиц широко применялся генератор Ван-дер-Ваальса. С его помощью удавалось генерировать напряжение до нескольких миллионов вольт. Генератор разработан в 1929 году американским физиком Робертом Ван-дер-Ваальсом. Используется электризация трением. Заряд переносится на движущейся ленте и многократно снимается с нее на полый металлический проводник.
5. Очистка зерна.
6. Дактилоскопия.
7. Лазерный принтер и ксерокс.
Электризация тел при облучении нашла применение в ксерокопирование и лазерном принтере.
8. Медицина.
При работе люстры Чижевского образуется большое количество отрицательных ионов кислорода. При вдыхании воздуха ионы кислорода отдают электрические заряды эритроцитам крови, а затем – клеткам. Вследствие чего улучшается обмен веществ в организме.
Электродинамика – это наука о свойствах и закономерностях поведения особого вид материи – электромагнитного поля, осуществляющего взаимодействие между электрически заряженными телами или частицами.
Электрический заряд – физическая величина, характеризующая электрические свойства частиц.
Элементарный заряд - заряд электрона (или протона).
Электрон - частица с наименьшим отрицательным зарядом.
Электризация - явление приобретения телом заряда.
Кулоновская сила - сила взаимодействия зарядов
Основная и дополнительная литература по теме урока:
1. Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б., Сотский Н.Н. Физика.10 класс. Учебник для общеобразовательных организаций М.: Просвещение, 2017. С. 277 – 282.
2. Тульчинский М.Е. Сборник качественных задач по физике. – М.: Просвещение, 1965. С.81.
Теоретический материал для самостоятельного изучения
Элементарные частицы – это мельчайшие частицы, которые не делятся на более простые, из которых состоят все тела.
Если частицы взаимодействуют друг с другом с силами, которые убывают с увеличением расстояния так же, как и силы всемирного тяготения, но превышают силы тяготения во много раз, то говорят, что эти частицы имеют электрический заряд, а частицы называются заряженными.
Взаимодействие заряженных частиц называется электромагнитным.
Заряды одного знака отталкиваются друг от друга, а разного знака – притягиваются.
При электризации трением оба тела приобретают заряды, противоположные по знаку, но одинаковые по модулю.
При электризации тел выполняется закон сохранения электрического заряда:
В изолированной системе алгебраическая сумма зарядов всех тел сохраняется.
Заряженные тела, размерами и формой которых можно пренебречь при их взаимодействии, называются точечными зарядами.
Силу взаимодействия зарядов называют кулоновской силой.
Сила, с которой взаимодействуют заряды, прямо пропорциональна произведению зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.
где - это электрическая постоянная.
- заряд электрона
Единица измерения электрического заряда – Кулон.
Заряд в 1 Кл очень велик. Сила взаимодействия двух точечных зарядов по1 Кулон каждый, расположенных на расстоянии 1 км друг от друга, чуть меньше силы, с которой Земля притягивает груз массой 1т.
Примеры и разбор решения заданий:
1. Два заряда q1 и q2 взаимодействуют в вакууме с силой F. Если заряд каждой частицы увеличить в два раза и расстояние между ними уменьшить в два раза, то как изменится сила их взаимодействия?
Используя закон Кулона можем рассчитать, что сила взаимодействия между зарядами увеличится в 16 раз.
2. Два шарика, расположенные на расстоянии 10 см друг от друга, имеют одинаковые отрицательные заряды и взаимодействуют с силой 0,23 мН. Найти число избыточных электронов на каждом шарике.
Число избыточных электронов:
Сила взаимодействия между двумя заряженными шариками:
Отсюда выражаем заряд шарика:
Заряд электрона равен e =|-1,6·10 -31 | Kл
Конспект лекции "Электрические заряды. Закон Кулона" содержит необходимый материал для учителя и учеников по данной теме.
Электрические заряды. Закон Кулона
Электростатика – раздел физики, в котором изучают электрические поля, создаваемые неподвижными электрическими зарядами.
Электрический заряд – физическая величина, характеризующая свойство тел или частиц вступать в электромагнитные взаимодействия.
(кулон).
Электрические заряды делятся на положительные и отрицательные. Одноимённые заряды друг от друга отталкиваются, разноимённые – притягиваются.
Опыты показывают, что электрический заряд дискретен, то есть заряд любого заряженного тела равен целому числу элементарных зарядов:
.
– элементарный заряд, N – целое число.
Электрон и протон ( ) являются соответственно носителями элементарных отрицательного и положительного зарядов.
Закон сохранения электрического заряда: в замкнутой системе алгебраическая сумма электрических зарядов есть величина постоянная при любых процессах, происходящих внутри этой системы.
Закон Кулона (1785 г.): сила взаимодействия двух точечных и неподвижных электрических зарядов, находящихся в вакууме, прямо пропорциональна произведению зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.
r
В системе СИ:
электрическая постоянная.
Диэлектрическая проницаемость среды ε – величина, показывающая во сколько раз сила взаимодействия зарядов в среде (F) меньше силы взаимодействия в вакууме (F0).
Читайте также: