uabooks.top

Все виды сил упругости и трения имеют электромагнитную природу; жизнедеятельность растений, организмов животных и людей основана на электромагнитных взаимодействиях. Изучает это взаимодействие электродинамика — наука о свойствах электромагнитного поля, посредством которого осуществляется взаимодействие электрически заряженных тел или частиц. Если электрически заряженные тела или частицы находятся в покое, их взаимодействие рассматривается в разделе электродинамики, который называют электростатикой. С основами электростатики вы ознакомились в курсе физики 8 класса. А вот чтобы идти дальше, необходимо вспомнить базовые понятия.

Что такое электрический заряд

Электрический заряд q — это физическая величина, характеризующая свойство частиц или тел вступать в электромагнитное взаимодействие.

Единица электрического заряда в СИ — кулон:

1 кулон равен заряду, проходящему через поперечное сечение проводника за 1 секунду, если сила тока в проводнике 1 ампер:

Основные свойства электрического заряда

1. Существует два рода электрических зарядов — положительные и отрицательные. Электрический заряд такого рода, как заряд, полученный на янтаре или эбонитовой палочке, потертых о шерсть, принято называть отрицательным, а такого рода, как заряд, полученный на палочке из стекла, потертой о шелк, — положительным.

2. Тела, имеющие заряды одного знака, отталкиваются; тела, имеющие заряды противоположных знаков, притягиваются.

3. Носитель электрического заряда — частица; электрический заряд не существует отдельно от частицы.

4. Электрический заряд является дискретным, то есть электрические заряды физических тел кратны определенному наименьшему (элементарному) заряду. Носитель наименьшего отрицательного заряда — электрон. Этот заряд обычно обозначают символом е; его значение: е =-1,6-10^-19 Кл. Носитель наименьшего положительного заряда — протон. Заряд протона по модулю равен заряду электрона. Если q — заряд тела, е — заряд электрона, N — целое число, то

Как был измерен заряд электрона

Первым достаточно точно измерил элементарный заряд американский физик-экспериментатор Роберт Эндрюс Милликен (1868-1953) в начале XX в. Схема его опыта представлена на рис. 40.1. В пространство между

заряженными пластинами, заряд на которых можно было плавно изменять, ученый впрыскивал масло. При впрыскивании образовывались очень маленькие капельки, и некоторые из них несли отрицательный заряд.

Каждый раз Милликен наблюдал за отдельной заряженной каплей. Плавно изменяя заряд пластин, ученый добивался, чтобы капля равномерно поднималась вверх. Понятно, что в этом случае силы, действующие на каплю, были скомпенсированы. Учитывая это, а также то, что сила F_ajl, действующая на каплю со стороны пластин, прямо пропорциональна заряду капли, ученый вычислял заряд капли.

Многократно повторяя измерения, Милликен выяснил, что каждый раз заряд q капли был кратным некоторому наименьшему заряду: е = -1,6 10^-19 Кл. То есть q = Ne, где N — целое число. Исследуемые капли были заряжены отрицательно, то есть имели избыточное количество электронов. Поэтому ученый сделал вывод, что наименьший заряд — это заряд электрона.

Важный результат работы Милликена — не только определение заряда электрона, но и доказательство дискретности электрического заряда.

Что происходит при электризации

Электризация — это процесс приобретения электрического заряда макроскопическими телами или их частями.

Есть несколько способов электризации, среди них — электризация трением (трибоэлектричество). Вы уже знаете, что в процессе электризации трением происходит тесный контакт двух тел, изготовленных из различных материалов, и часть электронов переходит с одного тела на другое. После разъединения тел оказывается, что тело, отдавшее часть своих электронов, заряжено положительно, а тело, получившее эти электроны, заряжено отрицательно (рис. 40.2).

Рис. 40.2. При трении часть электронов со стеклянной палочки перейдет на лоскут шелка, в результате чего стеклянная палочка приобретет положительный заряд, а лоскут шелка — отрицательный

При любом способе электризации тел происходит перераспределение имеющихся в них электрических зарядов, а не появление новых. Это утверждение

является следствием одного из важнейших законов природы — закона сохранения электрического заряда:

Полный заряд электрически замкнутой системы тел остается неизменным при любых взаимодействиях, происходящих в этой системе:

где qi, q₂, ..., q_n — заряды тел, образующих систему; п — количество тел.

Если перед электризацией трением и палочка, и ткань (см. рис. 40.2) были незаряженными, то после трения они окажутся заряженными, причем их заряды будут одинаковы по модулю и противоположны по знаку. То есть их суммарный заряд, как и перед опытом, будет равен нулю.

Что определяет закон Кулона

Французский физик Шарль Кулон (1736-1806) экспериментально установил закон, который стал основным законом электростатики и был назван в его честь — закон Кулона:

Сила F взаимодействия двух неподвижных точечных зарядов q₁ и q₂ прямо пропорциональна произведению модулей этих зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния г между ними:

коэффициент пропор

циональности. Напомним: точечный заряд — это физическая модель заряженного тела, размерами которого можно пренебречь по сравнению с расстояниями от него до других рассматриваемых заряженных тел.

Обратите внимание!

• В законе Кулона говорится о произведении модулей зарядов, так как знаки зарядов влияют только на направление силы.

• Силы, с которыми взаимодействуют точечные заряды, обычно называют кулоновскими силами.

• Кулоновские силы направлены вдоль прямой, соединяющей взаимодействующие точечные заряды.

Если нужно определить силу взаимодействия трех зарядов или более, сначала определяют силы взаимодействия одного заряда с каждым из остальных зарядов, а затем рассчитывают результирующую.

Если заряды переместить из вакуума в диэлектрик, то сила их взаимодействия уменьшится

Коэффициент пропорциональности k численно равен силе, с которой взаимодействуют два точечных заряда по 1 Кл каждый, расположенные в вакууме на расстоянии 1 м друг от друга.

Иногда вместо коэффициента k применяют другой коэффициент — ε₀, который называют электрическая постоянная:

Тогда запись закона Кулона имеет вид:

Учимся решать задачи

Задача. На прямой, соединяющей положительный заряд qι и отрицатель-

_гг

ный заряд q₂, каждый из которых равен по модулю 5 10 Кл, расположен заряд д₃=-110^-8 Кл. Расстояние г_г между зарядами q_l и q₃ равно 6 см, расстояние г₂ между зарядами q₂ и q₃ равно 3 см. Вычислите силу, действующую на заряд q₃, если он расположен между зарядами q\ и q₂.

Контрольные вопросы

1. Что называют электрическим зарядом? 2. Назовите единицу электрического заряда. 3. Какие роды зарядов существуют? 4. Как взаимодействуют тела, имеющие заряды одного знака? противоположных знаков? 5. Какая частица имеет наименьший отрицательный заряд? наименьший положительный заряд? 6. Как вы понимаете утверждение, что электрический заряд является дискретным?

7. Кто и как первым измерил заряд электрона? 8. Если электронейтральное тело отдаст часть своих электронов, заряд какого знака оно будет иметь? 9. Почему при электризации трением электризуются оба тела? 10. Сформулируйте закон сохранения электрического заряда. 11. Сформулируйте закон Кулона.

Упражнение № 40

1. Как ведут себя ваши волосы сразу после того, как вы сняли через голову свитер, изготовленный, например, из акрила? Почему?

2. Как изменится сила взаимодействия двух зарядов, если расстояние между ними увеличить в 4 раза, а модуль каждого заряда увеличить в 2 раза?

3. Два одинаковых маленьких металлических шарика заряжены так, что модуль заряда одного из них в 5 раз больше, чем модуль заряда другого. Шарики заставили соприкоснуться и развели на начальное расстояние. Во сколько раз изменилась сила взаимодействия шариков, если перед соприкосновением они были заряжены одноименно? разноименно?

4. На шелковой нити подвесили маленький шарик, имеющий заряд 5 · 10^-8 Кл и массу 2 г. После того как снизу к нему поднесли второй заряженный шарик, сила натяжения нити, действующая на первый шарик, увеличилась в 2 раза. Определите расстояние между шариками, если их заряды равны по модулю.

 

Это материал учебника Физика 10 класс Барьяхтар, Довгий