Основной закон электростатики закон кулона конспект

Обновлено: 02.07.2024

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

Наиболее простой ветвью электродинамики является электростатика, поэтому, именно с электростатики мы и начнем. На этом уроке мы познакомимся с основным законом электростатики, который также называется законом Кулона.

В данный момент вы не можете посмотреть или раздать видеоурок ученикам

Чтобы получить доступ к этому и другим видеоурокам комплекта, вам нужно добавить его в личный кабинет, приобретя в каталоге.

Получите невероятные возможности

Конспект урока "Закон Кулона. Единица электрического заряда"

Электростатика — это ветвь электродинамики, которая изучает взаимодействие покоящихся зарядов.

Проводя свои опыты, Шарль Кулон пришел к выводу, что сила взаимодействия между двумя покоящимися зарядами прямо пропорциональна величине зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.

Обратите внимание, насколько похожа эта формулировка на формулировку закона всемирного тяготения. Да и сам эксперимент, проведенный Шарлем Кулоном, очень напоминает эксперимент Генри Кавендиша. Кулон тоже использовал крутильные весы, находящиеся в цилиндре, в котором был откачан весь воздух. Стеклянная палочка, на которой укреплены два одинаковых металлических шарика, подвешена на тонкой упругой проволочке.

Один из металлических шариков является заряженным, а другой служит противовесом. К заряженному шарику подводится третий шарик, с одноименным зарядом той же величины. В результате шарики начинают отталкиваться, что приводит к закручиванию проволочки. По этому закручиванию можно определить силу взаимодействия, а расстояние между шариками можно узнать с помощью несложных измерений. Основная сложность заключалась в изменении величины заряда, поскольку в то время даже не было единиц измерения электрического заряда. Однако Кулон предположил (и это предположение верно), что одинаковые шарики одинаково заряжаются при соприкосновении. Иными словами, если прикоснуться незаряженным шариком к заряженному шарику тех же размеров и массы, то заряд разделится пополам. Таким образом, Шарль Кулон нашел способ уменьшать заряд в 2, 4, 8 и более раз. Итак, закон Кулона гласит следующее: сила взаимодействия двух точечных зарядов в вакууме прямо пропорциональна произведению модулей зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними:

Данную силу взаимодействия часто называют силой Кулона или кулоновской силой. Напомним, что точечными зарядами обладают тела, размерами которых можно пренебречь по сравнению с расстоянием между ними.

Закон Кулона также применим, если оба тела имеют правильную форму, то есть форму шара. В этом случае, за расстояние между телами принимается расстояние между центрами этих тел. В формуле, описывающей закон Кулона, k — это коэффициент пропорциональности, о котором мы поговорим чуть позже. Для вычисления силы Кулона мы используем модули зарядов, а, следовательно, можем определить только модуль силы. Как вы понимаете, если мы подвесим заряженные шарики на нитях, то они будут либо притягиваться, либо отталкиваться. Таким образом, силы взаимодействия между двумя неподвижными точечными зарядами направлены вдоль прямой, проходящей через эти заряды. Исходя из третьего закона Ньютона, шарики действуют друг на друга с силами равными по модулю и противоположными по направлению.

Как вы знаете из курса физики восьмого класса, величина электрического заряда измеряется в кулонах, именно в честь Шарля Кулона, который открыл только что изученный нами закон. 1 Кл — это заряд, проходящий через поперечное сечение проводника за 1 с при силе тока 1 А.

Теперь мы можем вернуться к коэффициенту пропорциональности в законе кулона и определиться с его единицами измерения:

Надо сказать, что 1 Кл — это очень большой заряд. Даже находясь на расстоянии 200 м друг от друга, два точечных разноименных заряда будут притягиваться примерно с той же силой, с которой Земля притягивает укомплектованный истребитель.

Напомним теперь, что заряд электрона является наименьшим зарядом в природе:

Необходимо отметить, что заряд любого тела всегда кратен минимальному заряду, поскольку к телу может присоединиться только целое число электронов:

Однако, если речь идет о заряде многократно превышающим минимальный заряд, то проверять кратность не имеет смысла. Тем не менее, в ядерной физике данное правило очень важно.

Хотелось бы еще раз отметить, насколько закон Кулона похож на закон всемирного тяготения. В обоих случаях силы взаимодействия обратно пропорциональны квадрату расстояния. Также, кулоновская сила прямо пропорциональна произведению модулей зарядов, а сила тяготения прямо пропорциональна массам. Это тоже является очевидным сходством (если считать заряды за количество электричества, а массу за количество вещества). Даже области применения и того, и другого закона совпадают. Оба закона применимы к материальным точкам или к телам сферической формы.

Примеры решения задач.

Задача 1. Два равных по модулю разноимённых точечных заряда взаимодействуют с силой, равной 10 Н. Определите величину этих зарядов, если они находятся на расстоянии 5 м друг от друга.

Задача 2. Два одинаковых шарика висят на нитях так, как показано на рисунке. После того, как шарикам сообщили заряды, равные 0,3 мкКл, они разошлись на расстояние, равное 36 см. Если натяжение на каждой нити равно 45 мН, то чему равен угол альфа, указанный на рисунке?

Данный урок расскажет об экспериментально полученном законе электростатического взаимодействия заряженных тел, об отличительных особенностях сил при таком взаимодействии, от чего зависят величины этих сил, а также о возникающей в связи с этим новой характеристике любой среды – диэлектрической проницаемости. В итоге материал данного урока окажется знакомством с новым типом фундаментальных взаимодействий тел в природе.

Взаимодействия электрических зарядов исследовали ещё до Шарля Кулона. В частности, английский физик Кавендиш в своих исследованиях пришёл к выводу, что неподвижные заряды при взаимодействии подчиняются определённому закону. Однако он не обнародовал своих выводов. Повторно закон Кулона был открыт французским физиком, именем которого был назван этот фундаментальный закон.

Рисунок 1. Закон Кулона

История открытия

Эксперименты с заряженными частицами проводили много физиков:

Г. В. Рихман;
профессор физики Ф. Эпинус;
Д. Бернулли;
Пристли;
Джон Робисон и многие другие.

Все эти учёные очень близко подошли к открытию закона, но никому из них не удалось математически обосновать свои догадки. Несомненно, они наблюдали взаимодействие заряженных шариков, но установить закономерность в этом процессе было непросто.

Кулон проводил тщательные измерения сил взаимодействия. Для этого он даже сконструировал уникальный прибор – крутильные весы (см. Рис. 2).

Рис. 2. Крутильные весы

У придуманных Кулоном весов была чрезвычайно высокая чувствительность. Прибор реагировал на силы порядка 10 -9 Н. Коромысло весов, под действием этой крошечной силы, поворачивалось на 1 º . Экспериментатор мог измерять угол поворота, а значит и приложенную силу, пользуясь точной шкалой.

Благодаря гениальной догадке учёного, идея которой состояла в том, что при соприкосновении заряженного и незаряженного шариков, электрический заряд делился между ними поровну. На это сразу реагировали крутильные весы, коромысло которых поворачивалось на определённый угол. Заземляя неподвижный шарик, Кулон мог нейтрализовать на нём полученный заряд.

Таким образом, учёный смог уменьшать первоначальный заряд подвижного шарика кратное число раз. Измеряя угол отклонения после каждого деления заряда, Кулон увидел закономерность в действии отталкивающей силы, что помогло ему сформулировать свой знаменитый закон.

Формулировка

Кулон исследовал взаимодействие между шариками, ничтожно малых размеров, по сравнению с расстояниями между ними. В физике такие заряженные тела называются точечными. Другими словами, под определение точечных зарядов подпадают такие заряженные тела, если их размерами, в условиях конкретного эксперимента, можно пренебречь.

Для точечных зарядов справедливо утверждение: Силы взаимодействия между ними направлены вдоль линии, проходящей через центры заряженных тел. Абсолютная величина каждой силы прямо пропорциональна произведению зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними (см. рис. 3). Данную зависимость можно выразить формулой: |F₁|=|F₂|=(k_e*q₁*q₂) / r 2

Рис. 3. Взаимодействие точечных зарядов

Остаётся добавить, что векторы сил направлены друг к другу для разноименных зарядов, и противоположно, в случае с одноимёнными зарядами. То есть между разноимёнными зарядами действует электрическое притяжение, а между одноимёнными – отталкивание.

Таким образом, закон Кулона описывает взаимодействие между двумя электрическими зарядами, которое лежит в основе всех электромагнитных взаимодействий.

Для того чтобы действовал сформулированный выше закон, необходимо выполнение следующий условий:

соблюдение точечности зарядов;
неподвижность заряженных тел;
закон выражает зависимости между зарядами в вакууме.

Границы применения

Описанная выше закономерность при определённых условиях применима для описания процессов квантовой механики. Правда, закон Кулона формулируется без понятия силы. Вместо силы используется понятие потенциальной энергии кулоновского взаимодействия. Закономерность получена путём обобщения экспериментальных данных.

Следует отметить, что на сверхмалых расстояниях (при взаимодействиях элементарных частиц) порядка 10 — 18 м проявляются электрослабые эффекты. В этих случаях закон Кулона, строго говоря, уже не соблюдается. Формулу можно применять с учётом поправок.

Нарушение закона Кулона наблюдается и в сильных электромагнитных полях (порядка 10 18 В/м), например поблизости магнитаров (тип электронных звёзд). В такой среде кулоновский потенциал уменьшается не обратно пропорционально, а экспоненциально.

Кулоновские силы подпадают под действие третьего закона Ньютона: F₁ = – F₂. Они используются для описания законов всемирного тяготения. В этом случае формула приобретает вид: F = ( m₁* m₂ ) / r 2 , где m₁ и m₂ – массы взаимодействующих тел, а r – расстояние между ними.

Закон Кулона стал первым открытым количественным фундаментальным законом, обоснованным математически. Его значение в исследованиях электромагнитных явлений трудно переоценить. С момента открытия и обнародования закона Кулона началась эра изучения электромагнетизма, имеющего огромное значение в современной жизни.

Коэффициент k

Формула содержит коэффициент пропорциональности k, который для согласования соразмерностей в международной системе СИ. В этой системе единицей измерения заряда принято называть кулоном (Кл) – заряд, проходящий за 1 секунду сквозь проводник, где силы тока составляет 1 А.

Коэффициент k в СИ выражается следующим образом: k = 1/4πε₀, где ε₀ – электрическая постоянная: ε₀ = 8,85 ∙10 -12 Кл 2 /Н∙м 2 . Выполнив несложные вычисления, мы находим: k = 9×10 9 H*м 2 / Кл 2 . В метрической системе СГС k =1.

На основании экспериментов было установлено, что кулоновские силы, как и принцип суперпозиции электрических полей, в законах электростатики описывают уравнения Максвелла.

Если между собой взаимодействуют несколько заряженных тел, то в замкнутой системе результирующая сила этого взаимодействия равняется векторной сумме всех заряженных тел. В такой системе электрические заряды не исчезают – они передаются от тела к телу.

Закон Кулона в диэлектриках

Выше было упомянуто, что формула, определяющая зависимость силы от величины точечных зарядов и расстояния между ними, справедлива для вакуума. В среде сила взаимодействия уменьшается благодаря явлению поляризации. В однородной изотопной среде уменьшение силы пропорционально определённой величине, характерной для данной среды. Эту величину называют диэлектрической постоянной. Другое название – диэлектрическая проницаемость. Обозначают её символом ε. В этом случае k = 1/4πεε₀.

Диэлектрическая постоянная воздуха очень близка к 1. Поэтому закон Кулона в воздушном пространстве проявляется так же как в вакууме.

Интересен тот факт, что диэлектрики могут накапливать электрические заряды, которые образуют электрическое поле. Проводники лишены такого свойства, так как заряды, попадающие на проводник, практически сразу нейтрализуются. Для поддержания электрического поля в проводнике необходимо непрерывно подавать на него заряженные частицы, образуя замкнутую цепь.

Применение на практике

Вся современная электротехника построена на принципах взаимодействия кулоновских сил. Благодаря открытию Клоном этого фундаментального закона развилась целая наука, изучающая электромагнитные взаимодействия. Понятие термина электрического поля также базируется на знаниях кулоновских сил. Доказано, что электрическое поле неразрывно связано с зарядами элементарных частиц.

Грозовые облака не что иное как скопление электрических зарядов. Они притягивают к себе индуцированные заряды земли, в результате чего появляется молния. Это открытие позволило создавать эффективные молниеотводы для защиты зданий и электротехнических сооружений.

На базе электростатики появилось много изобретений:

конденсатор;
различные диэлектрики;
антистатические материалы для защиты чувствительных электронных деталей;
защитная одежда для работников электронной промышленности и многое другое.

На законе Кулона базируется работа ускорителей заряженных частиц, в частности, функционирование Большого адронного коллайдера (см. Рис. 4).

Рис. 4. Большой адронный коллайдер

Ускорение заряженных частиц до околосветовых скоростей происходит под действием электромагнитного поля, создаваемого катушками, расположенными вдоль трассы. От столкновения распадаются элементарные частицы, следы которых фиксируются электронными приборами. На основании этих фотографий, применяя закон Кулона, учёные делают выводы о строении элементарных кирпичиков материи.

Читайте также: