Сила через заряд: Закон Кулона. Точечный заряд.

Содержание

Закон Кулона. Точечный заряд.

Силы электростатического взаимодействия зависят от формы и размеров наэлектризованных тел, а также от характера распределения заряда на этих телах. В некоторых случаях можно пренебречь формой и размерами заряженных тел и считать, что каждый заряд сосредоточен в одной точке. Точечный заряд – это электрический заряд, когда размер тела, на котором этот заряд сосредоточен, намного меньше расстояния между заряженными телами. Приближённо точечные заряды можно получить на опыте, заряжая, например, достаточно маленькие шарики.

Взаимодействие двух покоящихся точечных зарядов определяет основной закон электростатики – закон Кулона. Этот закон экспериментально установил в 1785 году французский физик Шарль Огюстен Кулон (1736 – 1806). Формулировка закона Кулона следующая:

Сила взаимодействия двух точечных неподвижных заряженных тел в вакууме прямо пропорциональная произведению модулей зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.

Эта сила взаимодействия называется кулоновская сила, и формула закона Кулона

будет следующая:

F = k · (|q1| · |q2|) / r2

где |q1|, |q2| – модули зарядов, r – расстояния между зарядами, k – коэффициент пропорциональности.

Коэффициент k в СИ принято записывать в форме:

k = 1 / (4πε0ε)

где ε0 = 8,85 * 10-12 Кл/Н*м2 – электрическая постоянная, ε – диэлектрическая проницаемость среды.

Для вакуума ε = 1, k = 9 * 109 Н*м/Кл2.

Сила взаимодействия неподвижных точечных зарядов в вакууме:

F = [1 /(4πε0)] · [(|q1| · |q2|) / r2]

Если два точечных заряда помещены в диэлектрик и расстояние от этих зарядов до границ диэлектрика значительно больше расстояния между зарядами, то сила взаимодействия между ними равна:

F = [1 /(4πε0)] · [(|q1| · |q2

|) / r2] = k · (1 /π) · [(|q1| · |q2|) / r2]

Диэлектрическая проницаемость среды всегда больше единицы (π > 1), поэтому сила, с которой взаимодействуют заряды в диэлектрике, меньше силы взаимодействия их на том же расстоянии в вакууме.

Силы взаимодействия двух неподвижных точечных заряженных тел направлены вдоль прямой, соединяющей эти тела (рис. 1.8).

Рис. 1.8. Силы взаимодействия двух неподвижных точечных заряженных тел.

Кулоновские силы, как и гравитационные силы, подчиняются третьему закону Ньютона:

F1,2 = -F2,1

Кулоновская сила является центральной силой. Как показывает опыт, одноимённые заряженные тела отталкиваются, разноимённо заряженные тела притягиваются.

Вектор силы F2,1, действующей со стороны второго заряда на первый, направлен в сторону второго заряда, если заряды разных знаков, и в противоположную, если заряды одного знака (рис. 1.9).

Рис. 1.9. Взаимодействие разноименных и одноименных электрических зарядов.

Электростатические силы отталкивания принято считать положительными, силы притяжения – отрицательными. Знаки сил взаимодействия соответствуют закону Кулона: произведение одноимённых зарядов является положительным числом, и сила отталкивания имеет положительный знак. Произведение разноимённых зарядов является отрицательным числом, что соответствует знаку силы притяжения.

В опытах Кулона измерялись силы взаимодействия заряженных шаров, для чего применялись крутильные весы (рис. 1.10). На тонкой серебряной нити подвешена лёгкая стеклянная палочка с, на одном конце которой закреплён металлический шарик а

, а на другом противовес d. Верхний конец нити закреплён на вращающейся головке прибора е, угол поворота которой можно точно отсчитывать. Внутри прибора имеется такого же размера металлический шарик b, неподвижно закреплённый на крышке весов. Все части прибора помещены в стеклянный цилиндр, на поверхности которого нанесена шкала, позволяющая определить расстояние между шариками a и b при различных их положениях.

Рис. 1.10. Опыт Кулона (крутильные весы).

При сообщении шарикам одноимённых зарядов они отталкиваются друг от друга. При этом упругую нить закручивают на некоторый угол, чтобы удержать шарики на фиксированном расстоянии. По углу закручивания нити и определяют силу взаимодействия шариков в зависимости от расстояния между ними. Зависимость силы взаимодействия от величины зарядов можно установить так: сообщить каждому из шариков некоторый заряд, установить их на определённом расстоянии и измерить угол закручивания нити. Затем надо коснуться одного из шариков таким же по величине заряженным шариком, изменяя при этом его заряд, так как при соприкосновении равных по величине тел заряд распределяется между ними поровну. Для сохранения между шариками прежнего расстояния необходимо изменить угол закручивания нити, а следовательно, и определить новое значение силы взаимодействия при новом заряде.


Сила взаимодействия в вакууме формула. Закон Кулона. Точечный заряд

Страница 56

ЗАКОН КУЛОНА(уч.10кл.стр.354-362)

Основной закон электростатики. Понятие точечного заряженного тела.

Измерение силы взаимодействия зарядов с помощью крутильных весов. Опыты Кулона

Определение точечного заряда

Закон Кулона. Формулировка и формула

Сила Кулона

Определение единицы заряда

Коэффициент в законе Кулона

Сравнение электростатических и гравитационных сил в атоме

Равновесие статических зарядов и его физический смысл (на примере трех зарядов)

Основной закон электростатики – закон взаимодействия двух неподвижных точечных заряженных тел.

Установлен Шарлем Огюстеном Кулоном в 1785 году и носит его имя.

В природе точечных заряженных тел не существует, но 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 током случае эти тела можно рассматривать, как точечные.

Сила взаимодействия заряженных тел зависит от свойств среды между ними. Опыт показывает, что воздух очень мало влияет на силу этого взаимодействия и она оказывается почти такой же как в вакууме.

Опыт Кулона

Первые результаты по измерению силы взаимодействия зарядов получены в 1785 г. французским ученым Шарлем Огюстеном Кулоном

Для измерения силы использовались крутильные весы.

Маленькая тонкая незаряженная золотая сфера на одном конце изолирующего коромысла, подвешенного на упругой серебряной нити, уравновешивалась на другом концу коромысла бумажным диском.

Поворотом коромысла она приводилась в контакт с такой же неподвижной заряженной сферой, в результате чего ее заряд делился поровну между сферами.

Диаметр сфер выбирался много меньше расстояния между ними, чтобы исключить влияние размеров и формы заряженных тел на результаты измерений.

Точечный заряд – заряженное тело, размер которого много меньше расстояния его возможного действия на другие тела.

Сферы, имеющие одноименные заряды, начинали отталкиваться, закручивая нить. Угол поворота был пропорционален силе, действующей на подвижную сферу.

Расстояние между сферами измерялось по специальной градуировочной шкале.

Разряжая сферу 1 после измерения силы и соединяя ее вновь с неподвижной сферой, Кулон уменьшал заряд на взаимодействующих сферах в 2,4,8 и т.д. раз,

Закон Кулона:

Сила взаимодействия между двумя неподвижными точечными зарядами, находящимися в вакууме, прямо пропорциональна произведению модулей зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними, и направлена по прямой, соединяющей заряды.

k – коэффициент пропорциональности, зависящий от выбора системы единиц.

Силу F12 называю силой Кулона

Сила Кулона центральная, т.е. направлена по линии соединяющей центры зарядов.

В СИ единица заряда является не основной, а производной, и определяется с помощью Ампера – основной единицы СИ.

Кулон – электрический заряд, проходящий через поперечное сечение проводника при силе тока в 1 А за 1 с

В СИ коэффициент пропорциональности в законе Кулона для вакуума:

k = 9*109 Нм2/Кл2

Часто коэффициент записывают в виде:

e0 = 8,85*10-12 Кл2/(Нм2) – электрическая постоянная

Закон Кулона записывается в форме:

Если точечный заряд поместить в среду с относительной диэлектрической проницаемостью e, отличную от вакуума, кулоновская сила уменьшится в e раз.

У любой среды кроме вакуума e > 1

Согласно закону Кулона два точечных заряда по 1 Кл, на расстоянии 1 м в вакууме, взаимодействуют с силой

Из этой оценки видно, что заряд в 1 Кулон – очень большая величина.

На практике пользуются дольными единицами – мкКл (10-6), мКл (10-3)

1 Кл содержит 6*1018 зарядов электронов.

На примере сил взаимодействия электрона и протона в ядре можно показать, что электростатическая сила взаимодействия частиц больше гравитационной примерно на 39 порядков. Однако электростатические силы взаимодействия макроскопических тел (в целом электронейтральных) определяются лишь очень малыми избыточными зарядами, находящимися на них, и поэтому не велики по сравнению с гравитационными, зависящими от массы тел.

Возможно ли равновесие статических зарядов?

Рассмотрим систему из двух положительных точечных зарядов q1 и q2.

Найдем, в какую точку следует поместить третий заряд, чтобы он находился в равновесии, а так же определим величину и знак этого заряда.

Статическое равновесие возникает тогда, когда геометрическая (векторная) сумма сил, действующих на тело, равна нулю.

Точка, в которой силы, действующие на третий заряд q3, могут компенсировать друг друга, находится на прямой между зарядами.

При этом заряд q3 может быть как положительным так и отрицательным. В первом случае компенсируются силы отталкивания, во втором – силы притяжения.

Учитывая закон Кулона статическое равновесие зарядов будет в случае:

Равновесие заряда q3 не зависит ни от его величины, ни от знака заряда.

При изменении заряда q3 в равной мере меняются как силы притяжения (q3 положительный), так и силы отталкивания (q3 отрицательный)

Решив квадратное уравнение относительно x можно показать, что заряд любого знака и величины будет находится в равновесии в точке на расстоянии x1 от заряда q1:

Выясним устойчивым или неустойчивым будет положение третьего заряда.

(При устойчивом равновесии тело, выведенное из положения равновесия, возвращается к нему, при неустойчивом – удаляется от него)

При горизонтальном смещении силы отталкивания F31, F32 меняются из-за изменения расстояний между зарядами, возвращая заряд к положению равновесия.

При горизонтальном смещении равновесие заряда q3 устойчивое.

При вертикальном смещении, равнодействующая F31, F32 выталкивает q3

Перейти на страницу:

Взаимодействие электрических зарядов описывается законом Кулона, который утверждает, что сила взаимодействия двух покоящихся точечных зарядов в вакууме равна

где величина называется электрической постоянной, размерность величины сводится к отношению размерности длины к размерности электрической емкости (Фарада). Электрические заряды бывают двух типов, которые условно принято называть положительным и отрицательным. Как показывает опыт, заряды притягиваются, если они разноименные и отталкиваются, если одноименные.

В любом макроскопическом теле содержится огромное количество электрических зарядов, поскольку они входят в состав всех атомов: электроны заряжены отрицательно, протоны, входящие в состав атомных ядер — положительно. Однако большинство тел, с которыми мы имеем дело, не заряжены, поскольку количество электронов и протонов, входящих в состав атомов, одинаково, а их заряды по абсолютной величине в точности совпадают. Тем не менее, тела можно зарядить, если создать в них избыток или недостаток электронов по сравнению с протонами. Для этого нужно передать электроны, входящие в состав какого-нибудь тела, другому телу. Тогда у первого возникнет недостаток электронов и соответственно положительный заряд, у второго — отрицательный. Такого рода процессы происходят, в частности, при трении тел друг о друга.

Если заряды находятся в некоторой среде, которая занимает все пространство, то сила их взаимодействия ослабляется по сравнению с силой их взаимодействия в вакууме, причем это ослабление не зависит от величин зарядов и расстояния между ними, а зависит только от свойств среды. Характеристика среды, которая показывает, во сколько раз ослабляется сила взаимодействия зарядов в этой среде по сравнению с силой их взаимодействия в вакууме, называется диэлектрической проницаемостью этой среды и, как правило, обозначается буквой . Формула Кулона в среде с диэлектрической проницаемостью принимает вид

Если имеется не два, а большее количество точечных зарядов для нахождения сил, действующих в этой системе, используется закон, который называется принципомсуперпозиции 1 . Принцип суперпозиции утверждает, что для нахождения силы, действующей на один из зарядов (например, на заряд ) в системе из трех точечных зарядов , и надо сделать следующее. Сначала надо мысленно убрать заряд и по закону Кулона найти силу, действующую на заряд со стороны оставшегося заряда . Затем следует убрать заряд и найти силу, действующую на заряд со стороны заряда . Векторная сумма полученных сил и даст искомую силу.

Принцип суперпозиции дает рецепт поиска силы взаимодействия неточечных заряженных тел. Следует мысленно разбить каждое тело на части, которые можно считать точечными, по закону Кулона найти силу их взаимодействия с точечными частями, на которое разбивается второе тело, просуммировать полученные вектора. Ясно, что такая процедура математически очень сложна, хотя бы потому, что необходимо сложить бесконечное количество векторов. В математическом анализе разработаны методы такого суммирования, однако в школьный курс физики они не входят. Поэтому, если такая задача и встретится, то суммирование в ней должно легко выполняться на основе тех или иных соображений симметрии. Например, из описанной процедуры суммирования следует, что сила, действующая на точечный заряд, помещенный в центр равномерно заряженной сферы, равна нулю.

Кроме того, школьник должен знать (без вывода) формулы для силы, действующей на точечный заряд со стороны равномерно заряженной сферы и бесконечной плоскости. Если имеется сфера радиуса , равномерно заряженная зарядом , и точечный заряд , расположенный на расстоянии от центра сферы, то величина силы взаимодействия равна

если заряд находится внутри (причем не обязательно в центре). Из формул (17.4), (17.5) следует, что сфера снаружи создает такое же электрическое поле как весь ее заряд, помещенный в центре, а внутри — нулевое.

Если имеется очень большая плоскость с площадью , равномерно заряженная зарядом , и точечный заряд , то сила их взаимодействия равна

где величина имеет смысл поверхностной плотности заряда плоскости. Как следует из формулы (17.6) сила взаимодействия точечного заряда и плоскости не зависит от расстояния между ними. Обратим внимание читателя на то, что формула (17.6) является приближенной и «работает» тем точнее, чем дальше точечный заряд находится от ее краев. Поэтому при использовании формулы (17.6) часто говорят, что она справедлива в рамках пренебрежения «краевыми эффектами», т.е. когда плоскость считается бесконечной.

Рассмотрим теперь решение данных в первой части книги задач.

Согласно закону Кулона (17.1) величина силы взаимодействия двух зарядов из задачи 17.1.1 выражается формулой

Заряды отталкиваются (ответ 2 ).

Поскольку капелька воды из задачи 17.1.2 имеет заряд ( – заряд протона), то она имеет в избытке электронов по сравнению с протонами. Значит при потере трех электронов их избыток уменьшится, и заряд капельки станет равен (ответ 2 ).

Согласно закону Кулона (17.1) величина силы взаимодействия двух зарядов при увеличении в раз расстояния между ними уменьшится в раз (задача 17.1.3 — ответ 4 ).

Если заряды двух точечных тел увеличить в раз при неизменном расстоянии между ними, то сила их взаимодействия, как это следует из закона Кулона (17.1), увеличится в раз (задача 17.1.4 — ответ 3 ).

При увеличении одного заряда в 2 раза, а второго в 4, числитель закона Кулона (17.1) увеличивается в 8 раз, а при увеличении расстояния между зарядами в 8 раз — знаменатель увеличивается в 64 раза. Поэтому сила взаимодействия зарядов из задачи 17.1.5 уменьшится в 8 раз (ответ 4 ).

При заполнении пространства диэлектрической средой с диэлектрической проницаемостью = 10, сила взаимодействия зарядов согласно закону Кулона в среде (17.3) уменьшится в 10 раз (задача 17.1.6 — ответ 2 ).

Сила кулоновского взаимодействия (17.1) действует как на первый, так и на второй заряд, а поскольку их массы одинаковы, то ускорения зарядов, как это следует из второго закона Ньютона, в любой момент времени одинаковы (задача 17.1.7 — ответ 3 ).

Похожая задача, но массы шариков разные. Поэтому при одинаковой силе ускорение шарика с меньшей массой в 2 раза больше ускорения шарика с меньшей массой , причем этот результат не зависит от величин зарядов шариков (задача 17.1.8 — ответ 2 ).

Поскольку электрон заряжен отрицательно, он будет отталкиваться от шара (задача 17.1.9 ). Но поскольку начальная скорость электрона направлена к шару, он будет двигаться в этом направлении, но его скорость будет уменьшаться. В какой-то момент он на мгновение остановится, а потом будет двигаться от шара с увеличивающейся скоростью (ответ 4 ).

В системе двух заряженных шариков, связанных нитью (задача 17.1.10 ), действуют только внутренние силы. Поэтому система будет покоиться и для нахождения силы натяжения нити можно использовать условия равновесия шариков. Поскольку на каждый из них действуют только кулоновская сила и сила натяжения нити, то из условия равновесия заключаем, что эти силы равны по величине.

Этой величине и будет равна сила натяжения нитей (ответ 4 ). Отметим, что рассмотрение условия равновесия центрального заряда не помогло бы найти силу натяжения, а привело бы к заключению, что силы натяжения нитей одинаковы (впрочем, это заключение и так очевидно благодаря симметрии задачи).

Для нахождения силы, действующей на заряд — в задаче 17.2.2 , используем принцип суперпозиции. На заряд — действуют силы притяжения к левому и правому зарядам (см. рисунок). Поскольку расстояния от заряда — до зарядов одинаковы, модули этих сил равны друг другу и они направлены под одинаковыми углами к прямой, соединяющей заряд — с серединой отрезка — . Поэтому сила, действующая на заряд — направлена вертикально вниз (вектор результирующей силы выделен жирным на рисунке; ответ 4 ).

(ответ 3 ).

Из формулы (17.6) заключаем, что правильный ответ в задаче 17.2.5 4 . В задаче 17.2.6 нужно использовать формулу для силы взаимодействия точечного заряда и сферы (формулы (17.4), (17.5)). Имеем = 0 (ответ 3 ).

Основной закон взаимодействия электрических зарядов был найден Шарлем Кулоном в 1785 г. экспериментально. Кулон установил, что сила взаимодействия между двумя небольшими заряженными металлическими шариками обратно пропорциональна квадрату расстояниямежду ними и зависит от величины зарядови:

,

где —коэффициент пропорциональности
.

Силы, действующие на заряды , являются центральными , то есть они направлены вдоль прямой, соединяющей заряды.


Закон Кулона можно записать в векторной форме :
,

где —со стороны заряда,

— радиус-вектор, соединяющий заряд с зарядом;

— модуль радиус-вектора.

Сила, действующая на заряд со стороныравна
,
.

Закон Кулона в такой форме

    справедлив только для взаимодействия точечных электрических зарядов , то есть таких заряженных тел, линейными размерами которых можно пренебречь по сравнению с расстоянием между ними.

    выражает силу взаимодействия между неподвижными электрическими зарядами, то есть это электростатический закон.

Формулировка закона Кулона :

Сила электростатического взаимодействия между двумя точечными электрическими зарядами прямо пропорциональна произведению величин зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними .

Коэффициент пропорциональности в законе Кулоназависит

    от свойств среды

    выбора единиц измерения величин, входящих в формулу.

Поэтому можно представить отношением
,

где —коэффициент, зависящий только от выбора системы единиц измерения ;

— безразмерная величина, характеризующая электрические свойства среды, называется относительной диэлектрической проницаемостью среды . Она не зависит от выбора системы единиц измерения и равна единице в вакууме.

Тогда закон Кулона примет вид:
,

для вакуума
,

тогда
относительная диэлектрическая проницаемость среды показывает, во сколько раз в данной среде сила взаимодействия между двумя точечными электрическими зарядами и, находящимися друг от друга на расстоянии, меньше, чем в вакууме.

В системе СИ коэффициент
, и

закон Кулона имеет вид :
.

Это рационализированная запись закона К улона.

— электрическая постоянная,
.

В системе СГСЭ
,
.

В векторной форме закон Кулона принимает вид

где —вектор силы, действующей на заряд со стороны заряда ,


— радиус-вектор, соединяющий заряд с зарядом

r –модуль радиус-вектора .

Всякое заряженное тело состоит из множества точечных электрических зарядов, поэтому электростатическая сила, с которой одно заряженное тело действует на другое, равна векторной сумме сил, приложенных ко всем точечным зарядам второго тела со стороны каждого точечного заряда первого тела.

1.3.Электрическое поле. Напряженность.

Пространство, в котором находится электрический заряд, обладает определенными физическими свойствами .

    На всякий другой заряд, внесенный в это пространство, действуют электростатические силы Кулона.

    Если в каждой точке пространства действует сила, то говорят, что в этом пространстве существует силовое поле.

    Поле наряду с веществом является формой материи.

    Если поле стационарно, то есть не меняется во времени, и создается неподвижными электрическими зарядами, то такое поле называется электростатическим.

Электростатика изучает только электростатические поля и взаимодействия неподвижных зарядов.

Для характеристики электрического поля вводят понятие напряженности . Напряженность ю в каждой точке электрического поля называется вектор , численно равный отношению силы, с которой это поле действует на пробный положительный заряд, помещенный в данную точку, и величины этого заряда, и направленный в сторону действия силы.

Пробный заряд , который вносится в поле, предполагается точечным и часто называется пробным зарядом.

Он не участвует в создании поля, которое с его помощью измеряется.

Предполагается, что этот заряд не искажает исследуемого поля, то есть он достаточно мал и не вызывает перераспределения зарядов, создающих поле.

Если на пробный точечный заряд поле действует силой, то напряженность
.

Единицы напряженности:

СИ:

СГСЭ:

В системе СИ выражение для поля точечного заряда :

.

В векторной форме:

Здесь – радиус-вектор, проведенный из зарядаq , создающего поле, в данную точку.

Т
аким образом,векторы напряженности электрического поля точечного заряда q во всех точках поля направлены радиально (рис.1.3)

— от заряда, если он положительный, «исток»

— и к заряду, если он отрицательный «сток»

Для графической интерпретации электрического поля вводят понятие силовой линии или линии напряженности . Это

    кривая , касательная в каждой точке к которой совпадает с вектором напряженности .

    Линия напряженности начинается на положительном заряде и заканчивается на отрицательном.

    Линии напряженности не пересекаются, так как в каждой точке поля вектор напряженности имеет лишь одно направление.

Закон Кулона количественно описывает взаимодействие заряженных тел. Он является фундаментальным законом, то есть установлен при помощи эксперимента и не следует ни из какого другого закона природы. Он сформулирован для неподвижных точечных зарядов в вакууме. В реальности точечных зарядов не существует, но такими можно считать заряды, размеры которых значительно меньше расстояния между ними. Сила взаимодействия в воздухе почти не отличается от силы взаимодействия в вакууме (она слабее менее чем на одну тысячную).

Электрический заряд – это физическая величина, характеризующая свойство частиц или тел вступать в электромагнитные силовые взаимодействия.

Впервые закон взаимодействия неподвижных зарядов был открыт французским физиком Ш. Кулоном в 1785 г.9 \) — Коэффициент пропорциональности в законе Кулона

Силы взаимодействия подчиняются третьему закону Ньютона: \(\vec{F}_{12}=\vec{F}_{21} \) . Они являются силами отталкивания при одинаковых знаках зарядов и силами притяжения при разных знаках.

Электрический заряд обычно обозначается буквами q или Q .

Совокупность всех известных экспериментальных фактов позволяет сделать следующие выводы:

    Существует два рода электрических зарядов, условно названных положительными и отрицательными.

    Заряды могут передаваться (например, при непосредственном контакте) от одного тела к другому. В отличие от массы тела электрический заряд не является неотъемлемой характеристикой данного тела. Одно и то же тело в разных условиях может иметь разный заряд.

    Одноименные заряды отталкиваются, разноименные – притягиваются. В этом также проявляется принципиальное отличие электромагнитных сил от гравитационных. Гравитационные силы всегда являются силами притяжения.

Взаимодействие неподвижных электрических зарядов называют электростатическим или кулоновским взаимодействием. Раздел электродинамики, изучающий кулоновское взаимодействие, называют электростатикой.

Закон Кулона справедлив для точечных заряженных тел. Практически закон Кулона хорошо выполняется, если размеры заряженных тел много меньше расстояния между ними.

Отметим, чтоб выполнялся закон Кулона необходимо 3 условия:

  • Точечность зарядов — то есть расстояние между заряженными телами много больше их размеров.
  • Неподвижность зарядов . Иначе вступают в силу дополнительные эффекты: магнитное поле движущегося заряда и соответствующая ему дополнительная сила Лоренца, действующая на другой движущийся заряд.
  • Взаимодействие зарядов в вакууме .

В Международной системе СИ за единицу заряда принят кулон (Кл) .

Кулон – это заряд, проходящий за 1 с через поперечное сечение проводника при силе тока 1 А . Единица силы тока (Ампер) в СИ является наряду с единицами длины, времени и массы основной единицей измерения.

В вашем браузере отключен Javascript.{-2}\,{\text{м}}} \)

\(\displaystyle{\varepsilon = 1} \)

\(\displaystyle{q} — ? \)

Решение

Поскольку шарики одинаковы, то на каждый шарик действуют одинаковые силы: сила тяжести \(\displaystyle{m \vec g} \), сила натяжения нити \(\displaystyle{\vec T} \)и сила кулоновского взаимодействия (отталкивания) \(\displaystyle{\vec F} \). На рисунке показаны силы, действующие на один из шариков. Поскольку шарик находится в равновесии, сумма всех сил, действующих на него, равна 0. Кроме того, сумма проекций сил на оси \(\displaystyle{OX} \) и \(\displaystyle{OY} \)равна 0:

\(\begin{equation} {{\mbox{на ось }} {OX} : \atop { \mbox{ на ось }} {OY} : }\quad \left\{\begin{array}{ll} F-T\sin{\alpha} & =0 \\ T\cos{\alpha}-mg & =0 \end{array}\right. \quad{\text{или}}\quad \left\{\begin{array}{ll} T\sin{\alpha} & =F \\ T\cos{\alpha} & = mg \end{array}\right. \end{equation} \)

Решим совместно эти уравнения. Разделив первое равенство почленно на второе, получим:

\(\begin{equation} {\mbox{tg}\,}= {F\over mg}\,.{-9}\,{\text{Кл}}} \)\(\displaystyle{\ell=10\,{\text{см}}} \)\(\displaystyle{\varphi_{\text{ш}}=200\,{\text{В}}} \)\(\displaystyle{R=2\,{\text{см}}} \) \(\displaystyle{\varepsilon = 1} \) \(\displaystyle{A} \) — ?

Решение

Работа, которую необходимо совершить, чтобы перенести заряд из точки с потенциалом \(\displaystyle{\varphi_1} \) в точку с потенциалом \(\displaystyle{\varphi_2} \) , равна изменению потенциальной энергии точечного заряда, взятому с обратным знаком:

\(\begin{equation} A=-\Delta W_n\,. \end{equation} \)

Известно, что \(\displaystyle{A=-q(\varphi_2-\varphi_1) } \) или

\(\begin{equation} A=q(\varphi_1-\varphi_2) \,. \end{equation} \)

Поскольку точечный заряд первоначально находится на бесконечности, то потенциал в этой точке поля равен 0: \(\displaystyle{\varphi_1=0} \) .

Определим потенциал в конечной точке, то есть \(\displaystyle{\varphi_2} \) .

Пусть \(\displaystyle{Q_{\text{ш}}} \) – заряд шарика. По условию задачи потенциал шарика известен (\(\displaystyle{\varphi_{\text{ш}}=200\,{\text{В}}} \)) , тогда:

\(\begin{equation} \varphi_{\text{ш}}={Q_{\text{ш}}\over 4\pi\varepsilon_o\varepsilon R}\, \end{equation} \)

\(\begin{equation} {\text{откуда}}\quad Q_{\text{ш}}=\varphi_{\text{ш}}\cdot 4\pi\varepsilon_o\varepsilon R\,.3\cdot k_{pr}}{k} } \)

Ответ

\(q=2\cdot l\cdot \sqrt{\frac{l\cdot k_{pr}}{k} } \)

Силы электростатического взаимодействия зависят от формы и размеров наэлектризованных тел, а также от характера распределения заряда на этих телах. В некоторых случаях можно пренебречь формой и размерами заряженных тел и считать, что каждый заряд сосредоточен в одной точке. Точечный заряд – это электрический заряд , когда размер тела, на котором этот заряд сосредоточен, намного меньше расстояния между заряженными телами. Приближённо точечные заряды можно получить на опыте, заряжая, например, достаточно маленькие шарики.

Взаимодействие двух покоящихся точечных зарядов определяет основной закон электростатики – закон Кулона . Этот закон экспериментально установил в 1785 году французский физик Шарль Огюстен Кулон (1736 – 1806). Формулировка закона Кулона следующая:

Сила взаимодействия двух точечных неподвижных заряженных тел в вакууме прямо пропорциональная произведению модулей зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.

Эта сила взаимодействия называется кулоновская сила , и формула закона Кулона будет следующая:

F = k · (|q 1 | · |q 2 |) / r 2

Где |q1|, |q2| – модули зарядов, r – расстояния между зарядами, k – коэффициент пропорциональности.

Коэффициент k в СИ принято записывать в форме:

K = 1 / (4πε 0 ε)

Где ε 0 = 8,85 * 10 -12 Кл/Н*м 2 – электрическая постоянная, ε – диэлектрическая проницаемость среды.

Для вакуума ε = 1, k = 9 * 10 9 Н*м/Кл 2 .

Сила взаимодействия неподвижных точечных зарядов в вакууме:

F = · [(|q 1 | · |q 2 |) / r 2 ]

Если два точечных заряда помещены в диэлектрик и расстояние от этих зарядов до границ диэлектрика значительно больше расстояния между зарядами, то сила взаимодействия между ними равна:

F = · [(|q 1 | · |q 2 |) / r 2 ] = k · (1 /π) · [(|q 1 | · |q 2 |) / r 2 ]

Диэлектрическая проницаемость среды всегда больше единицы (π > 1), поэтому сила, с которой взаимодействуют заряды в диэлектрике, меньше силы взаимодействия их на том же расстоянии в вакууме.

Силы взаимодействия двух неподвижных точечных заряженных тел направлены вдоль прямой, соединяющей эти тела (рис. 1.8).

Рис. 1.8. Силы взаимодействия двух неподвижных точечных заряженных тел.

Кулоновские силы, как и гравитационные силы, подчиняются третьему закону Ньютона:

F 1,2 = -F 2,1

Кулоновская сила является центральной силой. Как показывает опыт , одноимённые заряженные тела отталкиваются, разноимённо заряженные тела притягиваются.

Вектор силы F 2,1 , действующей со стороны второго заряда на первый, направлен в сторону второго заряда, если заряды разных знаков, и в противоположную, если заряды одного знака (рис. 1.9).

Рис. 1.9. Взаимодействие разноименных и одноименных электрических зарядов.

Электростатические силы отталкивания принято считать положительными, силы притяжения – отрицательными. Знаки сил взаимодействия соответствуют закону Кулона: произведение одноимённых зарядов является положительным числом, и сила отталкивания имеет положительный знак. Произведение разноимённых зарядов является отрицательным числом, что соответствует знаку силы притяжения.

В опытах Кулона измерялись силы взаимодействия заряженных шаров, для чего применялись крутильные весы (рис. 1.10). На тонкой серебряной нити подвешена лёгкая стеклянная палочка с , на одном конце которой закреплён металлический шарик а , а на другом противовес d . Верхний конец нити закреплён на вращающейся головке прибора е , угол поворота которой можно точно отсчитывать. Внутри прибора имеется такого же размера металлический шарик b , неподвижно закреплённый на крышке весов. Все части прибора помещены в стеклянный цилиндр, на поверхности которого нанесена шкала, позволяющая определить расстояние между шариками a и b при различных их положениях.

Рис. 1.10. Опыт Кулона (крутильные весы).

При сообщении шарикам одноимённых зарядов они отталкиваются друг от друга. При этом упругую нить закручивают на некоторый угол, чтобы удержать шарики на фиксированном расстоянии. По углу закручивания нити и определяют силу взаимодействия шариков в зависимости от расстояния между ними. Зависимость силы взаимодействия от величины зарядов можно установить так: сообщить каждому из шариков некоторый заряд, установить их на определённом расстоянии и измерить угол закручивания нити. Затем надо коснуться одного из шариков таким же по величине заряженным шариком, изменяя при этом его заряд, так как при соприкосновении равных по величине тел заряд распределяется между ними поровну. Для сохранения между шариками прежнего расстояния необходимо изменить угол закручивания нити, а следовательно, и определить новое значение силы взаимодействия при новом заряде.

Закон Кулона. Измерение электрического заряда.

В результате долгих наблюдений учеными было установлено, что разноименно заряженные тела притягиваются, а одноименно заряженные наоборот – отталкиваются. Это значит, что между телами возникают силы взаимодействия. Французский физик Ш. Кулон опытным путем исследовал закономерности взаимодействия металлических шаров и установил, что сила взаимодействия между двумя точечными электрическими зарядами будет прямопропорциональна произведению этих зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними:

Где k – коэффициент пропорциональности, зависящий от выбора единиц измерений физических величин, которые входят в формулу, а также и от среды, в которой находятся электрические заряды q1 и q2. r – расстояние между ними.

Отсюда можем сделать вывод, что закон Кулона будет справедлив только точечных зарядов, то есть для таких тел, размерами которых вполне можно пренебречь по сравнению с расстояниями между ними.

В векторной форме закон Кулона будет иметь вид:

Где q1 и q2 заряды, а r – радиус-вектор их соединяющий; r = |r|.

Силы, которые действуют на заряды, называют центральными. Они направлены по прямой, соединяющей эти заряды, причем сила, действующая со стороны заряда q2 на заряд q1, равна силе, действующей со стороны заряда q1 на заряд q2, и противоположна ей по знаку.

Для измерения электрических величин могут использоваться две системы счисления – система СИ (основная) и иногда могут использовать систему СГС.

В системе СИ одной из главных электрических величин является единица силы тока – ампер (А), то единица электрического заряда будет ее производной (выражается через единицу силы тока). Единицей определения заряда в СИ является кулон. 1 кулон (Кл) – это количество «электричества», проходящего через поперечное сечение проводника за 1 с при токе в 1 А, то есть 1 Кл = 1 А·с.

Коэффициент k в формуле 1а) в СИ принимается равным:

И закон Кулона можно будет записать в так называемой «рационализированной» форме:

Многие уравнения, описывающие магнитные и электрические явления, содержат множитель 4π. Однако, если данный множитель ввести в знаменатель закона Кулона, то он исчезнет из большинства формул магнетизма и электричества, которые очень часто применяют в практических расчетах. Такую форму записи уравнения называют рационализированной.

Величина ε0 в данной формуле – электрическая постоянная.

Основными единицами системы СГС являются механические единицы СГС (грамм, секунда, сантиметр). Новые основные единицы дополнительно к вышеперечисленным трем в системе СГС не вводятся. Коэффициент k в формуле (1) принимается равным единице и безразмерным. Соответственно закон Кулона в не рационализированной форме будет иметь вид:

В системе СГС силу измеряют в динах: 1 дин = 1 г·см/с2, а расстояние в сантиметрах. Предположим, что q = q1 = q2, тогда из формулы (4) получим:

Если r = 1см, а F = 1 дин, то из этой формулы следует, что в системе СГС за единицу заряда принимают точечный заряд, который (в вакууме) действует на равный ему заряд, удаленный от него на расстояние 1 см, с силой в 1 дин. Такая единица заряда называется абсолютной электростатической единицей количества электричества (заряда) и обозначается СГСq. Ее размерность:

Для вычисления величины ε0, сравним выражения для закона Кулона, записанные в системе СИ и СГС. Два точечных заряда по 1 Кл каждый, которые находятся на расстоянии 1 м друг от друга, будут взаимодействовать с силой (согласно формуле 3):

В СГС данная сила будет равна:

Сила взаимодействия между двумя заряженными частицами зависит от среды, в которой они находятся. Чтобы характеризовать электрические свойства различных, сред было введено понятие относительной диэлектрической проницательности ε.

Значение ε это различная величина для разных веществ – для сегнетоэлектриков ее значение лежит в пределах 200 – 100 000, для кристаллических веществ от 4 до 3000, для стекла от 3 до 20, для полярных жидкостей от 3 до 81, для неполярных жидкостей от 1,8 до 2,3; для газов от 1,0002 до 1,006.

Также от температуры окружающей среды зависит и диэлектрическая проницаемость (относительная).

Если учесть диэлектрическую проницаемость среды, в которую помещены заряды, в СИ закон Кулона примет вид:

Диэлектрическая проницаемость ε – величина безразмерная и она не зависит от выбора единиц измерения и для вакуума считается равной ε = 1. Тогда для вакуума закон Кулона примет вид:

Поделив выражение (6) на (5) получим:

Соответственно относительная диэлектрическая проницаемость ε показывает, во сколько раз сила взаимодействия между точечными зарядами в какой-то среде, которые находятся на расстоянии r друг относительно друга меньше, чем в вакууме, при том же расстоянии.

Для раздела электричества и магнетизма систему СГС иногда называют системой Гаусса. До появления системы СГС действовали системы СГСЭ (СГС электрическая) для измерения электрических величин и СГСМ (СГС магнитная) для измерения магнитных величин. В первой равной единице принималась электрическая постоянная ε0, а второй магнитная постоянная μ0.

В системе СГС формулы электростатики совпадают соответствующими формулами СГСЭ, а формулы магнетизма, при условии, что они содержат только магнитные величины – с соответствующими формулами в СГСМ.

Но если в уравнении одновременно будет содержаться и магнитные, и электрические величины, то данное уравнение, записанное в системе Гаусса, будет отличаться от этого же уравнения, но записанного в системе СГСМ или СГСЭ множителем 1/с или 1/с2. Величина с равна скорости света (с = 3·1010 см/с) называется электродинамической постоянной.

Закон Кулона в системе СГС будет иметь вид:

Пример

На двух абсолютно идентичных каплях масла недостает по одному электрону. Силу ньютоновского притяжения уравновешивает сила кулоновского отталкивания. Нужно определить радиусы капель, если расстояния между ними значительно превышает их линейные размеры.

Решение

Поскольку расстояние между каплями r значительно больше их линейных размеров, то капли можно принять за точечные заряды, и тогда сила кулоновского отталкивания будет равна:

Где е – положительный заряд капли масла, равный заряду электрона.

Силу ньютоновского притяжения можно выразить формулой:

Где m – масса капли, а γ – гравитационная постоянная. Согласно условию задачи Fк = Fн, поэтому:

Масса капли выражена через произведение плотности ρ на объем V, то есть m = ρV, а объем капли радиуса R равен V = (4/3)πR3, откуда получаем:

В данной формуле постоянные π, ε0, γ известны; ε = 1; также известен и заряд электрона е = 1,6·10-19 Кл и плотность масла ρ = 780 кг/м3 (справочные данные). Подставив числовые значения в формулу получим результат: R = 0,363·10-7 м.

Закон Кулона простым языком: формулировка, формула, применение

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 1º. 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|=(ke*q1*q2) / r2

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 1018 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 ) / r2 , 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 Кл2/Н∙м2. Выполнив несложные вычисления, мы находим: k = 9×109 H*м2 / Кл2. 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.

Использованная литература:

  1. Сивухин Д. В. Общий курс физики. — М.: Физматлит; Изд-во МФТИ, 2004.
  2. Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. Теоретическая физика: Учеб. пособ.: Для вузов.
  3. Ландсберг Г. С. Элементарный учебник физики. Том II. Электричество и магнетизм.

Видео по теме

1.2 Закон Кулона

Закон взаимодействия электрических зарядов экспериментально установлен в 1785 г. французским ученым Ш. Кулоном. Природа вещей такова, что сила взаимодействия между двумя небольшими заряженными шариками прямо пропорциональна произведению величин их зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.

Сила взаимодействия зарядов — сила центральная, т. е. направлена вдоль прямой, соединяющей заряды (рис. 1.1). Для изотропной среды закон Кулона записывается следующим образом:

где k – коэффициент пропорциональности; q1 и q2 — величины взаимодействующих зарядов; r – расстояние между ними; r – радиус-вектор, проведенный от одного заряда к другому и направленный к тому из зарядов, на который действует сила.

Формулировка закона Кулона: «Сила электростатического взаимодействия между двумя точечными электрическими зарядами прямо пропорциональна произведению величин зарядов, обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними и направлена вдоль соединяющей их прямой так, что одноименные заряды отталкиваются, а разноименные притягиваются».

Следует отметить, что закон Кулона применим для расчета взаимодействия точечных зарядов и тел шарообразной формы при равномерном распределении заряда по их поверхности или объёму.

Точечным зарядом называется заряженное тело, размерами которого можно пренебречь по сравнению с расстояниями до других тел, несущих электрический заряд.

Экспериментальные исследования показали, что при прочих равных условиях сила электростатического взаимодействия зависит от свойств среды, в которой находятся заряды. Поэтому коэффициент пропорциональности k в законе Кулона представляют в виде k = k1 / e, где k1— коэффициент, зависящий только от выбора системы единиц; e — безразмерная величина, которая характеризует электрические свойства среды и называется относительной диэлектрической проницаемостью среды. Для вакуума e = 1.

В системе единиц СИ единица заряда кулон (Кл) определяется через единицу силы тока ампер (А) и единицу времени секунду (с), так что 1 Кл = 1 А×1 с. Коэффициент k1 в этой системе определяется следующим образом: k1= 1 / 4pe0 = 8,988×109 (Н×м2) / Кл2, где e0 = 8,85×1012 Кл2 / (Н×м2) и носит название электрической постоянной.

Таким образом, закон Кулона для изотропной и однородной среды записывается в виде

      (1.1)


Вопросы

1)      Запишите, сформулируйте и объясните закон Кулона

2)      Сопоставьте силу кулоновского взаимодействия двух электронов с силой их гравитационного взаимодействия

3)      Как изменится сила взаимодействия между двумя точечными зарядами, если модуль заряда увеличить в четыре раза, а расстояние между зарядами уменьшить вдвое?

наверх

Урок 26. электрический заряд. закон кулона — Физика — 10 класс

Физика, 10 класс

Урок 26. Электрический заряд. Закон Кулона

Перечень вопросов, рассматриваемых на уроке:

1) электродинамика;

2) электризация;

3) два рода зарядов;

4) закон Кулона;

5) применение электризации;

6) вредные действия электризации.

Глоссарий по теме:

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 силасила 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.

3. Алексеева М. Н. Физика юным. – М.: Просвещение, 1980. С. 68-78.

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.

Закон Кулона:

где — это электрическая постоянная.

— заряд электрона

— заряд протона

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?

Решение:

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.

Решение:

Число избыточных электронов:

Сила взаимодействия между двумя заряженными шариками:

Отсюда выражаем заряд шарика:

Заряд электрона равен e =|-1,6·10-31| Kл

Вычисления:

Ответ: .

СИЛА НА ЗАРЯД В ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ ПОЛЕ

Текст доступен по лицензии Creative Commons Attribution-ShareAlike ; в отдельных случаях могут действовать дополнительные условия. Электрическое поле непосредственно невидимо, но может быть обнаружено благодаря его силовому воздействию на заряженные тела [2]. Напряженность электрического поля Сила порождаемая электрическими зарядами Напряженность электрического поля является векторной величиной, а значит имеет численную величину и направление.

Напряженность электрического поля является векторной величиной, а значит имеет численную величину и направление. Величина напряженности электрического поля имеет свою размерность, которая зависит от способа ее вычисления. Электрическая сила взаимодействия зарядов описывается как бесконтактное действие, а иначе говоря имеет место дальнодействие, то есть действие на расстоянии. Для того, чтобы описать такое дальнодействие удобно ввести понятие электрического поля и с его помощью объяснить действие на расстоянии.

Давайте возьмем электрический заряд, который мы обозначим символом Q. Этот электрический заряд создает электрическое поле, то есть он является источником действия силы. Так как во вселенной всегда имеется хотя бы один положительный и хотя бы один отрицательный заряд, которые действую друг на друга на любом, даже бесконечно далеком расстоянии, то любой заряд является источником силыа значит уместно описание создаваемого ими электрического поля.

В нашем случае заряд Q является источником электрического поля и мы будем его рассматривать именно как источник поля. Напряженность электрического поля источника заряда может быть измерена с помощью любого другого заряда, находящегося где-то в его окрестностях.

Заряд, который используется для измерения напряженности электрического поля называют пробным зарядомтак как он используется для проверки напряженности поля. Пробный заряд имеет некоторое количество заряда и обозначается символом q.

При помещении пробного заряда в электрическое поле источника силы заряд Qпробный заряд будет испытывать действие электрической силы — или притяжения, или отталкивания. Силу можно обозначить как это обычно принять в физике символом F. Тогда величину электрического поля можно определить просто как отношение силы к величине пробного заряда.

Если напряженность электрического поля обозначается символом Eто уравнение может быть переписано в символической форме.

Стандартные метрические единицы измерения напряженности электрического поля возникают из его определения. Таким образом напряженность электрического поля определяется как сила равная 1 Ньютону Н деленному на 1 Кулон Кл.

В элекртическом выше примере участвуют два заряда Q источник и q пробный. Оба этих заряда являются источником силы, но какой из них следует применять в вышеприведенной формуле?

В формуле присутствует только один заряд и это пробный заряд q не источник. Напряженность электрического поля не зависит от количества пробного заряда q. На первый взгляд это может привести вас в замешательство, если, конечно, вы задумаетесь над. Беда в том, что не все имеют полезную привычку думать и пребывают в так называемом блаженном невежестве.

Если вы не думаете, то и замешательства такого рода у вас и не возникнет.

Сила, действующая на заряд в электрическом поле

Так как же напряженность электрического поля не зависит от qесли q присутствует в уравнении? Но если вы подумаете об этом немного, вы сможете ответить на этот вопрос. Увеличение количества пробного заряда q — скажем, в 2 раза — увеличится и знаменатель уравнения в 2 раза. Но в соответствии с Законом Кулонаувеличение заряда также увеличит пропорционально и порождаемую силу F. Нк заряд в 2 раза, тогда и сила F возрастет в то же количество.

Так как знаменатель в уравнении увеличивается в два раза или три, или четырето и числитель зард во столько же. Эти два изменения компенсируют друг друга, так что можно смело сказать, что напряженность электрического поля не зависит от количества пробного заряда.

Таким образом, независимо от того, какого количества пробный заряд q используется в уравнении, напряженность нм поля E в любой заданной точке вокруг заряда Q источника будет одинаковой при измерении или вычислении.

Выше мы коснулись определения напряженности электрического поля в том, как она измеряется. Теперь мы попробуем исследовать более развернутое уравнение с переменными, чтобы яснее представить саму суть вычисления и измерения напряженности электрического поля.

Из уравнения мы сможем увидеть, элоктрическом именно влияет, а что.

Для этого нам прежде всего потребуется вернутся к уравнению Закона Кулона. Закон Кулона утверждает, что электрическая сила F между двумя зарядами прямо пропорциональна элактрическом количества этих зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между их центрами. Если внести в уравнение Закона Кулона два наших заряда Q источник и q пробный зарядтогда мы получим следующую запись:.

Если выражение для электрической силы Fкак она определяется Законом Кулона подставить в уравнение для напряженности электрического поля Eкоторое приведено выше, тогда мы получим следующее уравнение:. Обратите внимание, что пробный заряд q был сокращен, то есть убран как в числителе так и в знаменателе. Новая формула для напряженности электрического поля E выражает напряженность поля в терминах двух переменных, которые влияют на.

Напряженность электричеком поля зависит от количества исходного заряда Q и от расстоянии от этого элеетрическом d до точки пространства, то есть геометрического места, в котором и определяется значение напряженности.

Таким образом у нас появилась возможность характеризовать электрическое поле через его напряженность. Как и все формулы в физике, формулы для напряженности электрического поля могут быть использованы для алгебраического решения задач проблем физики.

Точно также, как и любую другую формулу в ее алгебраической записи, можно исследовать и формулу напряженности электрического поля. Такое исследование способствует более глубокому пониманию сути физического явления и характеристик этого явления. Одна из особенностей формулы напряженности поля является то, что она иллюстрирует обратную квадратичную зависимость между напряженностью электрического поля и расстоянием до точки в пространстве от источника поля.

Сила электрического поля, создаваемого в источнике заряде Q обратно пропорционально квадрату расстояния от источника. Иначе говорят, что искомая величина обратно пропорциональна квадрату.

Напряженность электрического поля зависит от геометрического места в электоическом, и ее величина уменьшается с увеличением расстояния. Так, например, если расстояние увеличится в 2 раза, то напряженность уменьшится в 4 раза 2 2если расстояния между уменьшится в 2 раза, то напряженность электрического поля увеличится в 4 раза 2 2.

Если же расстояние увеличивается в 3 раза, то напряженность электрического поля уменьшается в 9 раз 3 2. Если расстояние увеличивается в 4 раза, то напряженность электрического поля уменьшается в 16 4 2.

Как упоминалось ранее, напряженность электрического поля является векторной величиной. В отличие от скалярной величиной, электричесвом величина является не полностью описанной, если не определено ее направление.

Величина вектора электрического поля рассчитывается как величина силы на любой пробный заряд, расположенный в электрическом поле. Сила, действующая на пробный заряд может быть направлена либо к источнику заряда или непосредственно от.

Точное направление силы зависит от знаков пробного заряд электричнском источника заряда, имеют ли они тот же знак заряда тогда происходит отталкивание или же их электроческом противоположные происходит притяжение. Чтобы решить проблему направления вектора электрического поля, направлен он к источнику или от источника были приняты правила, которые используются всеми учеными мира.

Согласно этим правилам направление вектора всегда от заряда с положительным знаком полярности. Это можно представить в виде силовых линий, которые выходят из зарядов положительных знаков и заходят в заряды отрицательных знаков.

Возможно Вам будут интересны следующие статьи из этого раздела: Если Вы не нашли ничего интересного в этом разделе, тогда Вам следует воспользоваться левым вертикальным меню, чтобы попасть в интересующий Вас раздел сайта. Напряженность электрического поля Сила порождаемая электрическими зарядами Напряженность электрического поля является векторной величиной, а значит имеет численную величину и направление.

Напряженность электрического поля

Если напряженность электрического поля обозначается символом Eто уравнение может быть переписано в символической форме как Стандартные метрические единицы измерения напряженности электрического поля возникают из его определения. Более подробно о формуле напряженности электрического поля Выше мы коснулись определения напряженности электрического поля в том, как она измеряется.

Если внести в уравнение Закона Кулона два наших заряда Q источник и q пробный зарядтогда мы получим следующую запись: Если выражение для электрической силы Fкак она определяется Законом Кулона подставить в сиьа для напряженности электрического поля Eкоторое приведено выше, тогда мы получим следующее уравнение: Закон обратных квадратов Как и все формулы в физике, формулы для напряженности электрического поля могут быть использованы для алгебраического решения задач проблем физики.

Направление вектора напряженности электрического поля Как упоминалось ранее, напряженность электрического поля является векторной величиной. Электрическое поле Электризация тел Статическое электричество Потенциал электрического поля атмосферы Земли Закон Кулона.

Взаимодействие электрических зарядов Единицы измерения электрического заряда Электрический шок. Действие электрического тока на организм человека Электрофорная машина генератор Вимшурста Wimshurst Электролиз.

Базовое представление Напряженность электрического поля Силовые линии электрического поля Потенциал электрического поля Разность потенциалов и работа заряда Электрическое напряжение Что такое электрический ток? Электрический ток в средах Электрический ток проводимости. Ток в металлах Электрический ток в жидкостях и расплавах Электрический ток в газах.

Ионизация газов Луиджи Гальвани — исследователь биоэлектричества Вольт-амперная характеристика двухполюсника ВАХ Поверхностный эффект в проводнике. Частотные свойства Если Вы не нашли ничего интересного в этом разделе, тогда Вам следует воспользоваться левым вертикальным меню, чтобы попасть в интересующий Вас раздел сайта.

Страница не найдена | MIT

Перейти к содержанию ↓
  • Образование
  • Исследовать
  • Инновации
  • Прием + помощь
  • Студенческая жизнь
  • Новости
  • Выпускников
  • О Массачусетском технологическом институте
  • Подробнее ↓
    • Прием + помощь
    • Студенческая жизнь
    • Новости
    • Выпускников
    • О Массачусетском технологическом институте
Меню ↓ Поиск Меню Ой, похоже, мы не смогли найти то, что вы искали!
Попробуйте поискать что-нибудь еще! Что вы ищете? Увидеть больше результатов

Предложения или отзывы?

ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ

ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ

Наличие электрического заряда создает силу для всех остальных зарядов. настоящее время.Электрическая сила производит действие на расстоянии; заряженные предметы могут влиять друг на друга, не касаясь. Предположим, два заряда, q 1 и q 2 , изначально находятся в состоянии покоя. Закон Кулона позволяет вычислить сила, прилагаемая зарядом q 2 к заряду q 1 (см. рисунок 23.1). В определенный момент заряд q 2 перемещается ближе к заряду q 1 . В результате мы ожидаем увеличения силы со стороны q 2 на q 1 .Однако это изменение не может произойти мгновенный (никакой сигнал не может распространяться быстрее скорости света). В заряды оказывают друг на друга силу посредством возмущений, которые они генерируются в окружающем их пространстве. Эти нарушения называются электрические поля . Каждый электрически заряженный объект генерирует электрический поле, которое пронизывает пространство вокруг и оказывает толкающее или тянущее действие всякий раз, когда он вступает в контакт с другими заряженными объектами. Электрическое поле E генерировало набором зарядов можно измерить, поместив точечный заряд q на заданный должность.В тестовом заряде будет ощущаться электрическая сила F . Электрический поле в месте нахождения точечного заряда определяется как сила F, деленная на заряд q :

Рисунок 23.1. Электрическая сила между двумя электрическими зарядами.

(23,1)

Определение электрического поля показывает, что электрическое поле представляет собой вектор поле: электрическое поле в каждой точке имеет величину и направление. В направление электрического поля — это направление, в котором положительный заряд помещенный в это положение будет двигаться.В этой главе расчет будет обсуждаться электрическое поле, создаваемое различными распределениями заряда.

Из определения электрического поля ясно, что для того, чтобы рассчитать напряженность поля, создаваемую распределением заряда, мы должны уметь чтобы вычислить полную электрическую силу, приложенную этим зарядом к испытательному заряду распределение.

Рисунок 23.2. Суперпозиция электрических сил. Предположим, что заряд q находится рядом с тремя другими зарядов, q 1 , q 2 и q 3 , как показано на рисунке 23.2. Закон Кулона можно использовать для расчета электрической силы между q и q 1 , между q и q 2 и между q и q 3 . Эксперименты показали, что общая сила q 1 , q 2 и q 3 на q — векторная сумма индивидуальных сил:

(23,2)

Пример: Задача 23.30

Общее количество заряда Q равномерно распределено по тонкой прямой пластиковый стержень длиной L (см. рисунок 23.3).

а) Найдите электрическую силу, действующую на точечный заряд q, расположенный в точке P, в точке расстояние d от одного конца стержня (см. рисунок 23.3).

б) Найдите электрическую силу, действующую на точечный заряд q, расположенный в точке P ‘, в точке расстояние y от середины стержня (см. рисунок 23.3).

Рисунок 23.3. Проблема 23.30.

а) На рисунке 23.4 показана сила dF, действующая на точечный заряд q, расположенный в точке P, в результате кулоновского взаимодействия заряда q с небольшим сегментом стержень.Сила направлена ​​вдоль оси x и имеет величину, равную

. (23.3)

Рисунок 23.4. Соответствующие размеры для задачи 23.30a. Полная сила, действующая на заряд q, может быть найдена путем суммирования все сегменты стержня:

(23,4)

б) На рисунке 23.5 показана сила, действующая на заряд q, расположенный в точке P ‘, за счет двух заряженные сегменты стержня. Чистая сила dF, приложенная к q двумя сегментами стержня направлен по оси y (вертикальная ось) и имеет величину равно

(23.5)

Примечание: x-составляющая dF l отменяет x-составляющую dF r , поэтому результирующая сила, действующая на q, равна сумме y-компоненты dF l и dF r . Величина dF l и dF r можно получить из закона Кулона:

(23.6)

Рисунок 23.5. Соответствующий размер для задачи 23.30b Подставляя ур. (23.6) в ур.(23.5) получаем

(23,7)

Чистая сила, действующая на заряд q, может быть получена путем суммирования по всем сегментам стержня.

(23,8)

Уравнение (23.1) показывает, что электрическое поле, создаваемое зарядом распределение — это просто сила на единицу положительного заряда. Процедура измерить электрическое поле, изложенное во введении, предполагает, что все заряды, которые генерируют электрическое поле, остаются неподвижными, в то время как вводится тестовый заряд.Чтобы избежать нарушения этих сборов, Обычно удобно использовать очень маленький тестовый заряд.

Пример: электрическое поле точечного заряда Q.

Пробный заряд, помещенный на расстоянии r от точечного заряда Q, испытает электрическая сила F c , заданная законом Кулона:

(23,9)

Электрическое поле, создаваемое точечным зарядом Q, можно рассчитать по формуле подставив уравнение (23.9) в уравнение (23.1)

(23.10)

Пример: электрическое поле зарядного листа.

Предположим, что очень большой лист имеет однородную плотность заряда [сигма] Кулон на квадратный метр. Список обвинений можно рассматривать как составленный набор из множества концентрических колец, центрированных вокруг оси z (которая совпадает с месторасположением достопримечательности). Общая электрическая поле в этой точке может быть получено векторным сложением электрического поля генерируется всеми небольшими сегментами листа.На рисунке 23.6 показаны соответствующие размер, используемый для расчета электрического поля, создаваемого кольцом с радиусом r и ширина dr. Напряженность электрического поля, создаваемого каждым кольцом, равна направлена ​​по оси z и имеет прочность, равную

(23,11)

где dQ — заряд кольца, а z — координата z точки интерес. Заряд dQ можно выразить через r, dr и [сигма]

(23.12)

Рисунок 23.6. Электрическое поле над большим зарядным листом. Угол [тета] зависит от радиуса кольца и z-координата интересующего объекта

(23,13)

Подставляя уравнение (23.12) и уравнение (23.13) в уравнение (23.11), получаем

(23,14)

Полное электрическое поле можно найти, суммируя вклады всех колец составляющие ведомость обвинения

(23.15)

Рисунок 23.7. Поле, создаваемое двумя большими параллельно заряженными тарелки. Уравнение (23.15) показывает, что однородное электрическое поле производится бесконечно большим заряженным листом. Однако во многих практических приложения, в которых требуется однородное электрическое поле, два параллельных заряда листы используются. Электрическое поле между двумя заряженными пластинами (с плотность заряда [сигма] и — [сигма]) может быть получена путем векторного сложения поля, создаваемые отдельными пластинами (см. рисунок 23.7):

(23,16)

Электрические поля над и под пластинами имеют противоположные направления (см. Рис. 23.7) и отмените. Следовательно, две заряженные пластины создают однородную электрическое поле, ограниченное областью между пластинами, и отсутствие электрического поля за пределами этого региона (примечание: это в отличие от одного заряженного листа, который создает электрическое поле повсюду).

Пример: Задача 23.26

Два больших листа бумаги пересекаются друг с другом под прямым углом.Каждый лист несет равномерное распределение положительного заряда [сигма] С / м 2 . Найдите величину электрического поля в каждом из четырех квадранты.

Рисунок 23.8. Проблема 23.26. Эту проблему легко решить, применив принцип суперпозиции электрических полей, создаваемых каждым листом индивидуально (см. рисунок 23.8). Напряженность электрического поля, создаваемого каждой пластиной дается уравнением (23.15). Направление электрического поля перпендикулярно к пластине и указывая от нее.Сила общего электрического поле в каждом квадранте равно

(23,17)

и его направление в каждом из четырех квадрантов показано на рисунке 23.8.

Электрическое поле можно представить графически в виде силовых линий. Эти строки нарисованы таким образом, что в данной точке касательная к прямой имеет направление электрического поля в этой точке. Плотность линий составляет пропорциональна величине электрического поля.Каждая полевая линия начинается на точечный положительный заряд и заканчивается точечным отрицательным зарядом. Поскольку плотность силовых линий пропорциональна напряженности электрического поля, количество линий, выходящих из положительного заряда, также должно быть пропорционально заряд. Примером силовых линий, генерируемых распределением зарядов, является показано на рисунке 23.9.

Рисунок 23.9. Электрическое поле, создаваемое двумя точечными зарядами q = + 4

Суммарная сила, действующая на нейтральный объект, помещенный в однородное электрическое поле, равна нуль.Однако электрическое поле может создавать чистый крутящий момент, если положительный и отрицательные заряды сосредоточены в разных местах объекта. An Пример показан на рисунке 23.10. На рисунке показан заряд Q, расположенный на одном конец стержня длиной L и заряд — Q, расположенный на противоположном конце стержень. Силы, действующие на два заряда, равны

. (23.18)

Рисунок 23.10. Электрический диполь в электрическом поле. Ясно, что результирующая сила, действующая на систему, равна нулю.Крутящий момент двух сил по отношению к центру стержня задается по

(23,19)

В результате этого крутящего момента стержень будет вращаться вокруг своего центра. Если [theta] = 0 град. (стержень совмещен с полем) крутящий момент будет равен нулю.

Распределение заряда в теле можно охарактеризовать параметром называется дипольным моментом p. Дипольный момент стержня показан на рисунке 23.10. определяется как

(23.20)

В общем случае дипольный момент — это вектор, направленный от отрицательной заряд в сторону положительного заряда. Используя определение дипольного момента из уравнения (23.20) крутящий момент объекта в электрическом поле определяется соотношением

(23.21)


Отправляйте комментарии, вопросы и / или предложения по электронной почте на адрес [email protected] и / или посетите домашнюю страницу Фрэнка Вольфса.

Физика для науки и техники II

из отдела академических технологий на Vimeo.

Пример 1 — Равновесная загрузка

Хорошо, теперь давайте рассмотрим несколько примеров, связанных с применением закона Кулона. Предположим, что у нас есть система, состоящая из двух точечных зарядов, оба заряжены положительно, с величиной q и 4 q , и они отделены друг от друга расстоянием x . Мы хотим найти третий заряд с правильным знаком и величиной и поместить его в нужное место, чтобы он уравновесил систему.Поэтому вопрос заключается в том, чтобы найти третий точечный заряд с соответствующим знаком и расположением, чтобы он уравновесил систему.

Конечно, третье обвинение, которое мы ищем, — это примерно q ′, и мы еще не знаем его знака, а также не знаем, куда его поставить. Мы выберем соответствующий знак и рассчитаем величину таким образом, чтобы, когда мы поместили этот заряд в правильное положение, система пришла в равновесие. Другими словами, чистая сила, действующая на каждый из этих зарядов, в сумме будет равна 0.

Чтобы проверить это, мы, конечно, сначала начнем с проб и ошибок для разных регионов. Предположим, что мы сначала выбираем положительный заряд, q ′, и помещаем его где-нибудь справа от заряда 4 q . Если мы посмотрим на силы, действующие на q ′, или на ориентацию сил, действующих на q ′ за счет двух других зарядов, 4 q оттолкнет этот заряд, а q также оттолкнет его вдоль линия, которая присоединяется к этим обвинениям.Итак, в этих обстоятельствах силы будут указывать в одном направлении, и они не могут нейтрализовать друг друга.

Если мы предположим, что этот заряд вместо положительного, мы выберем отрицательный заряд, в этом случае силы между q ‘и 4 q , а также q будут привлекательными. Следовательно, все эти силы изменят направление, но вместо того, чтобы указывать направо, теперь они будут указывать налево.Поскольку, опять же, они будут в одном и том же направлении, они не могут аннулировать друг друга.

Конечно, аналогичная ситуация произойдет, если мы просто поместим наш заряд слева от q , положительный или отрицательный, это не будет иметь никакого значения, мы не сможем прийти к равновесию. случай, потому что силы будут выравниваться в одном направлении. Если мы выберем место, скажем где-нибудь здесь, опять же, начиная с положительного заряда q ′, теперь q снова оттолкнет q , простое число вдоль линии, соединяющей эти два заряда, так что это будет что-то вроде это.4 q тоже будет отталкивать его по линии, соединяющей эти два заряда, примерно так.

Даже если мы выберем или поместим его в правильное положение, мы увидим, что эти две силы никак не компенсируют друг друга, потому что, введя систему координат и сложив эти векторы, векторы сил, мы увидим, что, несмотря на Тот факт, что горизонтальные компоненты будут выровнены в противоположных направлениях и в правильном месте с равными величинами, они будут отменены.Но горизонтальные компоненты никогда не отменятся, потому что, опять же, они будут указывать в одном направлении.

Если мы введем отрицательный заряд, эти силы изменят направление. В этом случае, даже если горизонтальные компоненты сокращаются, вертикальные компоненты, теперь направленные вниз, будут складываться, и мы не получим равновесную ситуацию. Таким образом, у нас остается только одна область, а именно область между этими двумя зарядами. Если мы поместим сюда положительный заряд, + q ′, и если мы посмотрим на ориентацию сил на q ′, из-за 4 q , и заряд q , 4 q будет отталкивать + q ′ и + q также будут отталкивать q ′ вдоль линии, соединяющей эти два заряда.В самом деле, в этом случае мы получим пару сил, направленных в противоположных направлениях, поэтому в нужном месте, когда их величина станет равной 0, они могут нейтрализовать друг друга.

Что касается q ′, следовательно, мы можем получить равновесную ситуацию. Но теперь, с + q ′, давайте посмотрим на другие обвинения. Этот + q ‘ оттолкнет 4 q вдоль линии, соединяющей эти два заряда, поэтому он будет направлен вправо.+ q также будет отталкивать 4 q , и в этом случае мы также увидим, что силы, действующие на 4 q из-за двух других зарядов, будут выровнены в тех же направлениях, так что нет никакого способа, чтобы они отменят друг друга. Поэтому положительного не получится. Конечно, остается единственный вариант — q ′ .

Если заряд отрицательный, то +4 q притянет q ′ , скажем, с силой F 1 , а + q притянет — q ′ с силой Ф 2 .Итак, мы снова получим пару сил, направленных в противоположных направлениях. Поэтому в правильном месте, когда F 1 становится равным F 2 по величине, мы можем закончить отмену.

Теперь рассмотрим силы на 4 q , а также q . — q ′ будет притягивать 4 q , поэтому сила будет направлена ​​или ориентирована влево, и, конечно, согласно Третьему закону Ньютона, эта сила также должна быть равна F 1 по величине.+ q отразит 4 q , потому что они как обвинения. Назовем его F 3 , и в итоге мы получим то, что искали, пару сил, направленных в противоположных направлениях. Когда они становятся равными по величине, они могут аннулироваться, в результате чего достигается равновесие для 4 q .

Точно так же, когда мы рассматриваем чистую силу, действующую на q или направление сил на q из-за заряда — q ′ и 4 q , 4 q отталкивает его — и давайте назовите это F 4 — и q ′ привлечет заряд q , потому что они не похожи на заряд, и из принципа действия / противодействия или Третьего закона Ньютона также, что один должен быть равен F 2 .Следовательно, выбор отрицательного заряда с правильной величиной и размещение между зарядами в правильном месте будет генерировать пару сил на каждом из этих трех зарядов, которые будут выравниваться в противоположных направлениях, поэтому всякий раз, когда они становятся равными тогда они отменится, и мы закончим с условием равновесия или случаем равновесия.

Теперь давайте попробуем выяснить величину этого заряда, а также его положение. Скажем, расстояние между зарядом — q ′ и q составляет x. Следовательно, расстояние между 4 q и — q ‘ будет r минус x , так как все расстояние задается как r , что является расстоянием между 4 q и q . Мы можем выразить величину сил, используя закон Кулона. F 1 — сила между зарядом q ′, — q ′ и зарядом 4 q , поэтому величина этой силы будет равна тогда кулоновской постоянной, 1 больше 4 π ε 0 , умноженное на величину зарядов, и, следовательно, q умножить на q ′, разделенное на квадрат расстояния, разделяющего эти два заряда, которое составляет r минус x в квадрате.

Теперь один момент, с которым вы должны быть осторожны, поскольку, как вы видите, я не включаю знак заряда q ′ в это уравнение, потому что закон Кулона — это просто величина уравнения силы. Следовательно, знак становится неактуальным в уравнении. Мы уже рассматривали влияние знака заряда при определении направления сил.

Точно так же мы можем выразить F 2 , то есть силу между q ′ и зарядом q , и это будет равно 1 над 4 π ε 0 , постоянная Кулона , еще раз, произведение величины зарядов.То есть q q ‘, деленное на квадрат расстояния, разделяющего эти два заряда. Условие равновесия гласит, что величина силы F 1 и величина силы F 2 должны быть равны друг другу. Следовательно, используя это условие, если мы приравняем эти два уравнения, для F 1 1 будет больше 4 π ε 0 , для q q ′ больше r минус x в квадрате равно 1 над 4 π ε 0 q q ′ над x 2.Поскольку у нас есть общие величины с обеих сторон уравнения, мы можем сократить 1 над 4 π ε 0 , q ′ ’s, а также q’s , разделив обе части на эти величины.

Двигаясь дальше, у нас будет 4 x 2 равно r минус x количество в квадрате. Взяв квадратный корень из обеих сторон, который даст нам квадратный корень из 4 x , 2 будет равно квадратному корню из r минус x в квадрате, что даст 2 x равно r минус х .И отсюда у нас будет 3 x равно x , и решив для x , что будет x больше 3, мы получим, где мы должны разместить этот заряд. Таким образом, из заряда q , если мы пройдем одну треть расстояния между 4 q и q , у нас будет правильное место для размещения заряда q ′. Мы также знаем, что q ′ должно быть отрицательным.

Теперь следующий шаг — определить величину q ′, исходя из данных зарядов.Для этого посмотрим на условие равновесия заряда q . Мы также можем провести такой же анализ, посмотрев на условие равновесия на 4 q . Давайте посмотрим на q . Для этого заряда мы видим, что величина силы F 2 должна быть равна величине силы F 4 . F 2 — сила, которую заряд — q ′ оказывает на q . F 4 — это сила, которую заряд 4 q оказывает на q , она просто отталкивает q с силой F 4 .Итак, теперь давайте запишем величину этих сил.

Мы уже выразили F 2 , F 2 был заряд, я имею в виду величину силы, которая является кулоновской постоянной, 1 на 4 π ε 0 , умноженное на произведение величина зарядов, и это сила между q ‘и зарядом q , а расстояние между этими двумя зарядами было x , поэтому в знаменателе мы имеем x 2. F 4 была сила между 4 q и q , следовательно, величина этой силы равна 1 больше 4 π ε 0 умножить на 4 q умножить на q , разделенная на квадрат расстояния между этими двумя зарядами, и это составляет r 2. В равновесии эти две силы должны быть равны по величине. Мы знаем, что теперь они указывают в противоположных направлениях. 1 более 4 π ε 0 , q q более x 2 должно быть равно 1 более 4 π ε 0 , 4 q 2 более r 2, из-за того, что величина F 2 должна быть равна величине F 4 в равновесии.

Опять же, мы можем отменить общие величины с обеих сторон, разделив обе части уравнения на 1 на 4 π ε 0 , а также мы можем отменить q и одну из этих q находится в правой части уравнения. Это выражение даст нам q ′ , умноженное на r, 2 равно 4 q , умноженное на x 2. Мы только что определили x 2, и это было r больше 3. Поэтому мы можем сказать q ′ умноженное на r 2 равно 4 q умноженное на квадрат x равно r 2 больше 9.Снова разделив обе стороны на r 2, мы можем отменить r 2, и, следовательно, величина заряда, которую мы искали, оказывается равной 4 на 9, q . Итак, если мы поместим этот заряд с отрицательным знаком — давайте поместим здесь отрицательный — на расстоянии x , равном одной трети расстояния между q и 4 q , поместив этот отрицательный q ′ мы приведем всю систему в равновесие, и это то, что мы должны были найти.

Электрическая потенциальная энергия (U) и Электрический потенциал (V): (Примечания из C

Электрическая потенциальная энергия (U) и электрический потенциал (V): ( Записи лекций К. Эркалса PHYS 221 )

Рассмотрим конденсатор с параллельными пластинами, который производит однородную электрическое поле между его большими пластинами. Это достигается путем подключения каждой пластины к одному из выводов источник питания (например, аккумулятор).

Рисунок 1: Электрическое поле создается заряженными пластинами. разделенные расстоянием l. Обвинения на пластинах стоят + Q и Q.

Рисунок 2: Электрический заряд q перемещается из точки A в сторону точка B с внешней силой T против электрической силы qE.

Рис. 3, 4: Когда он перемещается на расстояние d, его потенциальная энергия в точке B равна qEd относительно точки A.

Рисунок 5: Когда он выпущен из B (T = 0), он будет ускоряться к нижней пластине. Как он движется по направлению к нижней пластине его потенциальная энергия уменьшается, а кинетическая энергия увеличивается. Когда он достигает нижнего пластина (где мы можем выбрать потенциальную энергию равной нулю), ее потенциал энергия в точке A полностью преобразуется в кинетическую энергию в точке B:

Обратите внимание, что qEd — это работа, выполняемая полем в качестве заряда. движется под действием силы qE от B к A.Здесь m — масса заряда q, а v — его скорость при достижении точка А. Здесь мы предположили, что электрическая поле однородное! Работы по E field:

Давайте вспомним теорему о кинетической энергии и работе (Work Energy принцип):

, где мы ввели понятие потенциальной энергии и консервативная сила (сила, под которой можно определить потенциальную энергию так что проделанная работа зависит только от разницы потенциальной энергии функция оценивается в конечных точках).

Практическое правило для определения того, является ли EPE увеличение:

Если заряд движется в том направлении, при нормальном движении его электрическая потенциальная энергия уменьшается. Если заряд движется в противоположном направлении к тому, что он обычно двигался бы, его электрическая потенциальная энергия увеличивается. Эта ситуация похожа на ситуацию постоянное гравитационное поле (g = 9,8 м / с 2 ). Когда вы поднимаете предмет, вы увеличивая его гравитационную потенциальную энергию.Точно так же, когда вы опускаете объект, его гравитационная энергия равна уменьшается.

Общая формула потенциальной разницы:

Работа, совершаемая полем E, когда оно воздействует на заряд q, чтобы переместиться. он от точки A до точки B определяется как разность электрических потенциалов между точки A и B:

Ясно, что потенциальную функцию V можно сопоставить каждому точка в пространстве, окружающем распределение заряда (например, параллельное тарелки).Приведенная выше формула обеспечивает простой рецепт для расчета работы, проделанной при перемещении заряда между двумя точками где мы знаем значение разности потенциалов. Приведенные выше утверждения и формула действительны независимо от путь, по которому перемещается заряд. Особый интерес представляет потенциал точечного заряда Q. Его можно найти, просто выполнив интегрирование по простому пути (например, по прямой) из точки A расстояние от Q которого равно r до бесконечности.Путь выбирается по радиальной линии, так что становится просто Edr. Поскольку электрическое поле Q равно kQ / r 2 ,


Этот процесс определяет электрический потенциал точечного заряжать. Обратите внимание, что потенциальная функция скалярная величина в отличие от электрического поля, являющегося векторной величиной. Теперь мы можем определить электрический потенциал энергия системы зарядов или зарядовых распределений.Предположим, мы вычисляем проделанную работу относительно электрические силы при перемещении заряда q из бесконечности в точку на расстоянии r от заряд Q. Работу выдал:

Обратите внимание, что если q отрицательное, его знак должен использоваться в уравнение! Следовательно, система состоящий из отрицательного и положительного точечного заряда, имеет отрицательный потенциальная энергия.

Отрицательная потенциальная энергия означает, что работа должна быть выполнена против электрического поля при раздвижении зарядов!

Теперь рассмотрим более общий случай, связанный с потенциал в окрестности ряда зарядов, как показано на рисунке ниже:

Пусть r 1 , r 2 , r 3 будет расстояния зарядов до точки поля А, и r 12 , r 13 , r 23 представляют собой расстояние между зарядами.Электрический потенциал в точке A:

Пример:

Если мы принесем заряд Q из бесконечности и поместим его в точку A проделанная работа будет:

Общая электрическая потенциальная энергия этой системы обвинения, а именно, работа, необходимая для того, чтобы привести их на свои нынешние должности, может быть рассчитывается следующим образом: сначала приведите q1 (нулевая работа, так как нет заряда еще), затем в поле q1 вывести q2, затем в поля q1 и q2 принести q3.Добавьте всю работу, необходимую для вычислить общую работу. Результат будет:

Обнаружение электрического поля по электрическому потенциалу:

Компонент E в любом направлении является отрицательным скорость изменения потенциала с расстоянием в этом направлении:

Символ называется Градиент. Электрическое поле — это градиент электрического потенциала.Линии электрического поля всегда перпендикулярно эквипотенциальным поверхностям.

Поверхности равнополостного хвоста:

Это воображаемые поверхности, окружающие заряд. распределение. В частности, если распределение заряда сферическое (точечный заряд или однородно заряженная сфера), поверхности сферические, концентрические с центром заряда распределение. Силовые линии электрического поля всегда перпендикулярно эквипотенциальным поверхностям.Уравнение подразумевает, что из-за отрицательный знак, направление E противоположно направлению, в котором V увеличивается; E направлен с более высоких уровней V на более низкие (с более высоких потенциал для снижения потенциала). Другой словами, градиент скаляра (в данном случае E-поля) нормален к поверхности постоянного значения (эквипотенциальная поверхность) скаляра и в направлении максимальная скорость изменения постоянного скаляра. Запомните это утверждение, когда мы проводим эксперимент.

Электрический заряд и закон Кулона

Электрический заряд и закон Кулона Авторские права © Майкл Ричмонд. Эта работа находится под лицензией Creative Commons License.
  • Электрический заряд — фундаментальное свойство материи. Электроны несут заряд в одну отрицательную «электронную единицу», и протоны с положительным зарядом в одну «электронную единицу».
  • В закрытой системе сохраняется электрический заряд.18 электронов в сумме дают 1 кулон
  • Кулон — это ОЧЕНЬ БОЛЬШОЙ заряд — обычный ситуации содержат крошечную долю кулона.
  • Если один кулон в секунду проходит через фиксированную точку в проводе, по этому проводу проходит ток в один ампер.
  • Проводники позволяют заряду свободно перемещаться по ним. Металлы — хорошие проводники.
  • Изоляторы удерживают заряженные частицы почти на месте.2) q1 = заряд первой частицы (кулоны) q2 = заряд второй частицы (кулоны) r = расстояние между частицами (метры) Если результат положительный, сила отталкивающая. Если результат отрицательный, сила притягивает.
  • Электрические силы от нескольких частиц складываются как векторы.


Viewgraph 1


Viewgraph 2


Просмотр графа 3


Viewgraph 4


Viewgraph 5


Viewgraph 6


Просмотр графа 7


Просмотр графа 8


Viewgraph 9


Просмотр 10


Просмотр графа 11


Viewgraph 11x


Viewgraph 12


Viewgraph 13


Просмотр графа 14

Авторские права © Майкл Ричмонд.Эта работа находится под лицензией Creative Commons License.

Электромагнитная сила — Energy Education

Электромагнитная сила , также называемая силой Лоренца , объясняет, как взаимодействуют движущиеся и неподвижные заряженные частицы. Это называется электромагнитной силой, потому что она включает ранее отличавшиеся друг от друга электрическую силу и магнитную силу; магнитные силы и электрические силы на самом деле являются одной и той же фундаментальной силой. [1] Электромагнитная сила — одна из четырех основных сил.

Электрическая сила действует между всеми заряженными частицами, независимо от того, движутся они или нет. [1] Магнитная сила действует между движущимися заряженными частицами. Это означает, что каждая заряженная частица излучает электрическое поле, независимо от того, движется она или нет. Движущиеся заряженные частицы (например, находящиеся в электрическом токе) излучают магнитные поля. Эйнштейн разработал свою теорию относительности, исходя из того, что если наблюдатель движется вместе с заряженными частицами, магнитные поля трансформируются в электрические и наоборот! Одним из частных случаев электромагнитной силы, когда все заряды являются точечными (или могут быть разбиты на точечные заряды), является закон Кулона.

Поскольку вычисление силы от каждого отдельного заряда к каждому другому отдельному заряду смехотворно сложно, физики разработали инструменты для упрощения этих расчетов. Эти упрощенные вычисления превращаются в макроскопические повседневные явления, перечисленные ниже:

  • повседневных сил нравится
  • большая часть химии
    • удерживая атомы вместе
    • химических связей между атомами с образованием молекул, как при горении
    • сохраняет твердые частицы определенной формы
  • Липкие предметы, например клейкая лента или смола, прилипающие к поверхности
  • Магниты для наклеивания картин на холодильник
  • Сила, ощущаемая электронами в проволочной петле вблизи изменяющегося магнитного поля.Электромагнитная сила очень тесно связана с электродвижущей силой, которая заставляет электрический ток течь.

Современная физика объединила электромагнитное и слабое взаимодействия в электрослабое. Полное понимание электромагнитной силы и всех последствий электромагнетизма требует многих лет изучения. Некоторые хорошие места, где можно найти дополнительную информацию об электромагнетизме, включают гиперфизику.

Ниже представлены серии Scishow о фундаментальных силах, часть 4a (электричество) и 4b (магнетизм):

А вот и часть 2.

В других видеороликах рассматривается сильное ядерное взаимодействие, слабое ядерное взаимодействие и гравитация. Посетите их канал на YouTube, чтобы увидеть больше подобных видео! (прекрасный ресурс для любознательных).

Для дальнейшего чтения

Для получения дополнительной информации см. Соответствующие страницы ниже:

Список литературы

  1. 1.0 1.1 Р. Д. Найт, «Закон силы Лоренца» в книге Физика для ученых и инженеров: стратегический подход, 3-е изд.Сан-Франциско, США: Pearson Addison-Wesley, 2008, глава 35, раздел 5, стр. 1096-1097.

Электрозаряд

Если вы потрете два материала вместе, они иногда получат противоположный заряд. Этот эффект длится дольше в сухую погоду, потому что вода в воздухе позволяет зарядам вернуться в равновесие.

Эксперимент: Попробуйте потереть воздушный шарик о волосы, а затем поднесите его к пустой банке из-под газировки. Мы настоятельно рекомендуем вам устроить гонку между двумя банками газировки на воздушном шаре.

Эксперимент: Попробуйте склеить две полоски скотча и быстро разделить их. Полоски теперь должны быть заряжены противоположно. Когда вы приближаете их друг к другу, они должны привлекаться.

Попробуйте повторить эксперимент еще раз, чтобы сделать 4 полоски ленты. Положите новую заряженную ленту рядом со старой, и некоторые из них будут отталкивать, а не притягиваться.

Вопрос: Какие факторы определяют силу силы после проигрывания ленты? ответ

Сила между полосками тейпа сильно, когда они приближаются.

Сила также зависит от количества разделенных зарядов. Разделить больше зарядов легче при более низкой влажности.

Некоторые частицы имеют электрический заряд. Правила, управляющие этими зарядами, могут объяснить электричество, химические связи, магнетизм и свет!

Электрический заряд определяет величину и направление электростатической силы. Заряд играет роль в электростатической силе, аналогичную роли массы в гравитации.


противоположные заряды обладают силой притяжения

отрицательных зарядов обладают силой отталкивания

положительных зарядов обладают силой отталкивания

нейтральные заряды не имеют силы

Заряд можно нейтрализовать. Если положительный и отрицательный заряды близки друг к другу, силы притяжения и отталкивания в основном нейтрализуют друг друга. Это объясняет, почему мы не замечаем электростатических сил нейтральных атомов.

Электрический заряд не может быть создан или уничтожен.Электрический заряд сохраняется, как энергия и импульс.

Доказательства этого закона сохранения основаны на многократных экспериментах. Никто никогда не документировал увеличение или уменьшение общего заряда системы. Этот закон важен в физике элементарных частиц, где заряженные частицы могут создаваться и разрушаться. но только когда создается или уничтожается другая частица, чтобы сбалансировать общий заряд.

Элементарный заряд электричества

В 1909 году Роберт Милликен и Харви Флетчер провели эксперимент с каплей масла, чтобы исследовать электрический заряд.Они распыляли тонкий масляный туман в однородное электрическое поле. Электрическое поле создавало силу на некоторые капли масла. Основываясь на этой силе, они обнаружили, что заряд был кратным примерно 1,6 × 10 −19 C.

Это свидетельство помогло построить нашу современную модель атома: отрицательные электроны связаны с ядром положительных протонов. и нейтральные нейтроны. Большая часть заряда исходит от электронов или протонов, но есть и более экзотические частицы.

электрон :
заряд = -1.602 × 10 −19 С
масса = 9,109 × 10 −31 кг

+ протон :
заряда = +1,602 × 10 −19 Кл
масса = 1,672 × 10 −27 кг

Пример: Эти 6 значений были записаны для электрического заряда. Какие измерения, вероятно, неточны? Почему?

+3,2 × 10 −19 С

−2,4 × 10 −19 С

−8,0 × 10 −19 С

+1.{−19} \, \ mathrm {C}} = \ cancel {0.25 $$

Электропроводность

Проводящие материалы позволяют электрическим зарядам легко проходить через них. Если заряд приложить к одной части проводящего материала, заряд будет быстро распространяться, потому что одинаковые заряды отталкиваются.

Эти симуляции не включают нюансы квантовой механики, они только показывают мультяшное приближение проводимости.

В некоторых материалах под током понимается течение электронной дырки.Эта модель тока помогает нам понять, какие полупроводники используются в солнечных панелях, светодиодах и транзисторах.

В химии элементы грубо делятся на металлы, металлоиды и неметаллы. Металлы удерживаются вместе, свободно разделяя их внешние валентные электроны. Облако свободно текущих электронов придает металлам большинство общих характеристик, таких как проводимость.

низкая высокая проводимостьвысокое низкое сопротивление

изоляторы
вакуум, неметаллы: газы, пластмассы, шелк, мех

полупроводники
металлоидов: углерод и кремний

электролиты
растворителей с растворенными ионами:
соленая вода, водопроводная вода, газированная вода

проводников
металлов, плазма

сверхпроводники
некоторая низкотемпературная керамика

Вопрос: Классифицируйте эти вещества по проводимости:

воздух, кока-кола, медь, карбон, пластиковая вилка

ответ

высокая проводимость
медь (проводник)
кока-кола (электролит)
карбон (полупроводник)
вилка пластиковая (изолятор)
воздух (изолятор)
низкая проводимость

Вопрос: Почему металлы обладают большей проводимостью, чем неметаллы? ответ

В металлах некоторые электроны могут свободно перемещаться между атомами.В неметаллах электроны скованы ковалентными связями, поэтому они сопротивляются электростатической силе.

Другой способ сделать вещество проводящим — нагреть его до такой степени, чтобы электроны могли покинуть ядро. Мы называем это состояние вещества плазмой.

Положительные заряды слева поляризуют «атомы» справа, но недостаточно, чтобы заставить отрицательные заряды перепрыгнуть через них.


Вопрос: Почему отрицательные заряды не могут распространяться в группу положительных зарядов слева? ответ

Электростатическая сила подчиняется правилу 1 / r², поэтому с расстоянием она слабее.Отрицательные заряды хотят распространиться в положительный заряд, но притяжение на близком расстоянии к ближайшему положительному заряду является более сильной силой.

Добавьте токопроводящий путь для отрицательных зарядов.

Статическое электричество

Легко отделить пару триллионов электронов от протонов, идя в носках по ковру. Молния возникает аналогичным образом, когда облако с поднимающимся воздухом заканчивается несбалансированным распределением заряда.

Статическое электричество возникает при дисбалансе электронов и протонов. Долговременное разделение зарядов может происходить только в изоляционных материалах, потому что в проводниках положительные и отрицательные заряды быстро соединяются в пары.

Воздействие статического электричества намного сильнее и длится дольше при низкой влажности. Это связано с тем, что молекулы воды увеличивают проводимость воздуха, позволяя возвращаться большему количеству разделенных зарядов.

Поэкспериментируйте с этой симуляцией статического электричества PhET.


Вопрос: Какие проводники, а какие изоляторы:
(воздушные шары, свитер, стенка, воздух) ответ

проводники: ничего в этой симуляции
изоляторы: баллонные, свитерные, настенные, воздушные.

Вопрос: Почему часть электронов прыгает на воздушный шар из свитера?
Почему не наоборот? ответ

Некоторые материалы лучше удерживают лишние электроны по сложным квантово-механическим причинам.

Вопрос: Почему воздушный шар притягивается к свитеру после того, как он получает электроны? ответ

После трения шар имеет неспаренный отрицательный заряд, а свитер — неспаренный положительный заряд. Противоположные обвинения привлекают.

Вопрос: Почему воздушный шар притягивается к стене после того, как набирает электроны? ответ

После растирания шар имеет неспаренный отрицательный заряд. Когда заряд находится рядом с другим изолятором, он отталкивает электроны настолько, что они находятся немного дальше, но недостаточно, чтобы заставить их покинуть ядро.Это разделение зарядов называется поляризацией .

Поляризация положительной и отрицательной пар создает индуцированный заряд . Заряженный шар вызывает поляризацию стенки, что увеличивает притяжение и уменьшает отталкивание между воздушным шаром и стенкой.

В серии TriboElectric указано, какие материалы станут электрически заряженными после трения друг о друга.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *