Электрический заряд. Закон Кулона

 

Понятие - электрический заряд.

Все тела построены из мельчайших частиц, которые неделимы на более простые и поэтому называются элементарными. Все элементарные частицы имеют массу и благодаря этому притягиваются друг к другу согласно закону всемирного тяготения. С увеличением рас­стояния между частицами сила тяготения убывает обратно пропорционально квадрату этого расстояния. Большинство элементарных частиц, хотя и не все, кроме того, обладают способностью взаимодействовать друг с другом с силой, которая также убывает обратно пропорционально квадрату расстояния, но эта сила в огромное число раз превосходит силу тяготения.

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. Сами частицы называются заряженными. 

Бывают частицы без электрического заряда, но не существует электрического заряда без частицы.

Взаимодействия между заряженными частицами носят название электромагнитных.

 

Электрический заряд - q определяет интенсивность электромагнитных взаимодействий, подобно тому как масса, определяет интенсивность гравитационных взаимодействий.

 

Свойства электрических зарядов:

1) Существуют положительные и отрицательные заряды. Заряд элементарных частиц — протонов, входящих в состав всех атомных ядер, называют положительным, а заряд электронов — отрицательным.

2) В случае зарядов одинаковых знаков частицы отталкиваются, а в случае разных — притягиваются.

       

 

3) Элементарный заряд. Существует минимальный заряд, называемый элемен­тарным, которым обладают все заряженные элементарные частицы. Заряд, который можно сообщить телу, кратен минимальному (е= 1.6·10-19 Кл).  

 .

4) Отделить часть заряда, например у электрона, невозможно.

5) Закон сохранения электрического заряда. В изолированной системе алгебраическая сумма зарядов всех частиц сохраняется.

Если заряды частиц обозначить через q1, q2 и т. д., то

q1+ q2 + q2 = q1/+ q2/+ q3/

 

Электризация тел

Способы электризации:
 - трением
- через влияние (электростатическая индукция)
- под действием света.


Электризация трением

Для того чтобы получить электрически заряженное макроскопическое тело, т. е. наэлектризовать его, нужно отделить часть отрицательного заряда от связанного с ним положительного. Это можно сделать с помощью трения. Если провести расческой по сухим волосам, то небольшая часть самых подвижных заряженных частиц — электронов перейдет с волос на расческу и зарядит ее отрицательно, а волосы зарядятся положительно.

 

 

Наэлектризованная палочка притягивает воду

 

 

Наэлектризованная эбонитовая и стеклянная палочка притягивает кусочки бумаги

      

 

 

Значительная электризация происходит при трении синтетических тканей. Снимая с себя нейлоновую рубашку в сухом воздухе, мож­но слышать характерное потрескивание. Между заряженными участками трущихся поверхностей проскакивают маленькие искорки. С подобными явлениями приходится считаться на производстве. Так, нити пряжи на текстильных фабриках электризуются за счет трения, притягиваются к веретенам и роликам и рвутся. Пряжа притягивает пыль и загрязняется. Приходится применять специальные меры против электризации нитей.

Электризация тел при тесном контакте используется в различных электрокопировальных установках и др.

Макроскопическое тело электрически заряжено в том случае, если оно содержит избыточное количество элементарных частиц с одним знаком  заряда. Отрицательный заряд тела обусловлен избытком электронов по сравнению с протонами, а положительный — недостатком электронов.

Вывод:
- В электризации участвуют два тела;
- Электризация тел происходит при их соприкосновении;
- Трение тел увеличивает площадь соприкосновения тел.

 


 Электризация тел влиянием
Электризация проводника в электрическом поле называется электризацией через влияние, или электростатической индукцией.

Электризация тел влияние объясняется перераспределением электрических зарядов между телами (или частями тела), в результате чего тела (или части тел) заряжаются разноименно.
Если проводник поместить в электрическое поле,- поверхность проводника приобретает заряды противоположных знаков по отношению к электромагнитному полю.

           

 

  

 

Электризация гильзы

 

Электризация под действием света
Вырывание электронов с поверхности метала под действием света, называют явлением внешнего фотоэффекта
 

 

Закон Кулона.

Основной закон электростатики был экспериментально установлен Шарлем Кулоном в 1785 г. и носит его имя.

Если расстояние между телами во много раз больше их размеров, то ни форма, ни размеры заряженных тел суще­ственно не влияют на взаимодействия между ними. В таком случае заряженные тела считают точечными зарядами. Сила взаимодействия заряженных тел зависит от свойств среды между заряженными телами. Пока будем считать, что взаимодействие происходит в вакууме. Опыт показывает, что воздух очень мало влияет на силу взаимо­действия заряженных тел, она оказывается почти такой же, как в вакууме.

 

Опыт Кулона. Идея опытов Кулона аналогична идее опыта Кавендиша по определению гравитационной посто­янной. Открытие закона взаимодейст­вия электрических зарядов было облегчено тем, что эти силы оказались велики и благодаря этому не нужно было применять особо чувствительную аппаратуру, как при проверке закона всемирного тяготения в земных условиях. С помощью крутильных весов удалось установить, как взаимодействуют друг с другом неподвижные заряженные тела.

Крутильные весы состоят из стек­лянной палочки, подвешенной на тон­кой упругой проволочке. На одном конце палочки закреплен ма­ленький металлический шарик а, а на другом — противовес с. Еще один ме­таллический шарик b закреплен неподвижно на стержне, который, в свою очередь, крепится на крышке весов.

При сообщении шарикам одноименных зарядов они на­чинают отталкиваться друг от друга. Чтобы удержать их на фиксированном расстоянии, упругую проволочку нужно закрутить на некоторый угол. По углу закручива­ния проволочки определяют силу взаимодействия шариков.

Крутильные весы позволили изучить зависимость силы взаимодействия заряженных шариков от значений заря­дов и от расстояния между ними. Измерять силу и расстояние в то время умели. Единственная трудность была связана с зарядом, для измерения которого не существовало даже единиц. Кулон нашел простой способ изменения заряда одного из шариков 2, 4 и более раза, соединяя его с таким же незаряженным шариком. Заряд при этом распределялся поровну между шариками, что и уменьшало исследуемый заряд в известном отношении. Новое значе­ние силы взаимодействия при новом заряде определялось экспериментально.

 

 

   

 

Закон Кулона: Сила взаимодействия двух точечных за­рядов в вакууме прямо пропорциональна произведению модулей зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Эту силу называют кулоновской.

Закон Кулона можно запи­сать в следующей форме:   

где k — коэффициент пропорциональности, численно равный силе взаимодействия единичных зарядов на расстоянии, равном единице длины.

 

Силы взаимодействия между зарядами:

 

ε0 – диэлектрическая постоянная.

 

Примеры решения задач:

Задача 1. Два одинаковых по величине и знаку точечных зарядов, расположенных на расстоянии 3м друг от друга в вакууме, отталкиваются с силой 0,4 Н. Определить величину каждого заряда.

 

Задача 2. Небольшие, равные по величине, металлические шарики с одноименными зарядами приведены в соприкосновение и вновь удалены на 10 см. Как велика сила их взаимодействия, если на шариках до соприкосновения были заряды 70·10-9 Кл и 30·10-19Кл? Каков окончательный заряд каждого шарика?

Задача 3. Заряды 16 и 10 нКл расположены на расстоянии 4 мм друг от друга. Какая сила будет действовать на заряд  2нКл, помещенный в точку, удаленную на 2 мм от меньшего заряда и на 2 мм от большего?

Дано:                                     Решение

q1 =16·10-9 Кл

q2 =10·10-9 Кл

r = 4·10-3 м    

q3 =2·10-9 Кл

r1 = 2·10-3 м    

r2 = 2·10-3 м    

 F-?     

Решение:

 

Задачи для самостоятельного решения:

1. Небольшие, равные по величине, металлические шарики с одноименными зарядами приведены в соприкосновение и вновь удалены на 10 см. Как велика сила их взаимодействия, если на шариках до соприкосновения были заряды 20·10-9 Кл и 40·10-19Кл? Каков окончательный заряд каждого шарика?

2. Два маленьких шарика одинакового радиуса и массы подвешены в воздухе на нитях равной длины в одной точке. После того как шарикам сообщен заряд по 40·10-9Кл, нити разошлись на угол 600. Найти массу шарика, если расстояние от точки подвеса до центра шарика 20 см.

3. На каком расстоянии друг от друга заряды 1мкКл и 10 нКл взаимодействуют с силой 9 мН?

4. Заряды 10 и 16 нКл расположены на расстоянии 7 мм друг от друга. Какая сила будет действовать на заряд  2    нКл, помещенный в точку, удаленную на 3 мм от меньшего заряда и на 4 мм от большего?

 

Составить план изучения закона – Закона Кулона

Пункты плана:

1. Связь между какими величинами выражает данный закон?

2. Формулировка закона и математическая запись закона.

3. Когда и кто впервые сформулировал данный закон?

4. Опыты, подтверждающие справедливость закона.

5. Учёт и использование закона на практике.

6. Границы применимости закона

 

 Домашнее задание:

Контрольные вопросы:

1. При каком условии заряженное тело можно считать точечным зарядом?

2. Какие взаимодействия называют электромагнитными?

3. Что такое элементарный заряд?

4. Назовите элементарные частицы, заряженные положительно и заряженные отрицательно.

5. Приведите примеры явлений, вызванных электризацией тел, которые вы наблюдали в повседневной жизни.

6. Почему при перевозке бензина к цистерне прикрепляют металлическую цепь, касающуюся земли?

7. Сформулируйте закон сохранения электрического заряда.

8. Приведите примеры явлений, в которых наблюдается сохранение заряда.

 

Задачи:

1. Заряды 90 и 10 нКл расположены на расстоянии 4 см друг от друга. Где надо поместить третий заряд, чтобы силы, действующие на него со стороны других зарядов, были равны по модулю и противоположны по направлению?

2. Заряды 40 и -10 нКл расположены на расстоянии 10 см друг от друга. Какой надо взять третий заряд и где следует его поместить, чтобы равнодействующая сил, действующих на него со стороны двух других зарядов, была бы равна нулю?