Посредством чего осуществляется взаимодействие между зарядами
Электрический заряд. Взаимодействие электрических зарядов. Закон Кулона
Знакомство с явлениями электростатики лучше начинать в сухую погоду. Расчесывая волосы, снимая свитер можно наблюдать в темноте проскакивание крошечных искр и слабое потрескивание. Если потереть пластиковую расческу о волосы и поднести ее к мелким кусочкам бумаги, то они начнут притягиваться к расческе.
Взаимодействие наэлектризованных тел в состоянии покоя называется электростатическим взаимодействием.
Опыты по взаимодействию заряженных тел показали, что в природе существуют два вида заряда. Б. Франклин назвал один из них положительным, а другой – отрицательным. Разноименные заряды притягиваются, а одноименные – отталкиваются.
Различают следующие виды электризации:
При электризации тел трением всегда одновременно заряжаются оба участвующих в электризации тела (например, стекло и шелк). Причем одно из них приобретает положительный заряд, а другое – отрицательный. Если до электризации оба тела не были заряжены, то величина положительного заряда первого тела оказывается в точности равной величине отрицательного заряда второго тела.
Современная теория объясняет электризацию твердых тел как перемещение электронов, входящих в состав атомов любых тел, с одного тела на другое.
В состав ядра входят положительно заряженные элементарные частицы – протоны. На теле, приобретающем отрицательный заряд, образуется избыточное число электронов по сравнению с числом протонов, а на положительно заряженном теле оказывается недостаток электронов по сравнению с числом протонов.
Электрический заряд – характеристика заряженного тела. Минимальный заряд обозначается буквой e и равен 1,6·10 –19 Кл. Такой заряд имеют электрон и протон. Первые, наиболее точные определения заряда электрона были выполнены американским ученым Р. Милликеном и русским физиком А. Ф. Иоффе.
Для обнаружения и измерения электрического заряда используют электрометр. По углу отклонения стрелки модно судить о величине заряда.
Уменьшение числа электронов в одном теле равно увеличению их числа в другом. При этом полный заряд такой системы не изменяется, оставаясь равным нулю.
Количественное исследование взаимодействия заряженных тел осуществил в 1785 году французский физик Ш. Кулон (1736-1806). Он исследовал взаимодействие небольших заряженных металлических шариков при помощи крутильных весов.
На тонкой проволоке была подвешена стеклянная палочка с двумя металлическими шариками на концах. Одному шарику сообщали электрический заряд. Рядом с ним помещали неподвижный заряженный таким же по знаку зарядом шар. По углу поворота стеклянной палочки Ш.Кулон определял силу взаимодействия. Расстояние измерялось между центрами шаров.
Модуль силы взаимодействия F12 между двумя неподвижными точечными электрическими зарядами q1 и q2 в вакууме пропорционален произведению модулей этих зарядов и обратно пропорционален квадрату расстояния R12 между ними.
Точечный заряд – модель реальных заряженных тел, размер которых значительно меньше, чем расстояние между ними.
Если имеется система точечных зарядов, то сила, действующая на каждый из них, определяется как векторная сумма сил, действующих на данный заряд со стороны всех других зарядов системы. При этом сила взаимодействия данного заряда с каким-то конкретным зарядом рассчитывается так, как будто других зарядов нет.
Сила взаимодействия точечных зарядов зависит от свойств среды, в которой они находятся:
Свойства среды определяет диэлектрическая проницаемость среды ε.
Границы применимости закона Кулона:
Применение электризации
1.Электрофильтры.
Для очистки воздуха от пыли, например, при производстве цемента, очистки частиц дыма на ТЭС используют электрофильтры. Наэлектризованные частицы пыли притягиваются к заряженному элементу внутри фильтра.
2. Равномерное распыление краски краскопультом.
Электростатическая покраска используется для покрытия металлических поверхностей, например, в покрасочном цехе автомобильных кузовов. Для равномерного распыления краски на краскопульт подают отрицательный заряд, а кузову автомобиля сообщают положительный заряд. Отрицательно заряженные капельки краски равномерно распределяются по поверхности кузова, образуя прочный, ровный слой.
3. Изготовление наждачной бумаги.
4. Генератор высокого напряжения Ван де Граафа.
Электризация нашла практическое применение в науке и технике. До недавнего времени в ядерных исследованиях на ускорителях элементарных частиц широко применялся генератор Ван-дер-Ваальса. С его помощью удавалось генерировать напряжение до нескольких миллионов вольт. Генератор разработан в 1929 году американским физиком Робертом Ван-дер-Ваальсом. Используется электризация трением. Заряд переносится на движущейся ленте и многократно снимается с нее на полый металлический проводник.
5. Очистка зерна.
6. Дактилоскопия.
7. Лазерный принтер и ксерокс.
Электризация тел при облучении нашла применение в ксерокопирование и лазерном принтере.
8. Медицина.
При работе люстры Чижевского образуется большое количество отрицательных ионов кислорода. При вдыхании воздуха ионы кислорода отдают электрические заряды эритроцитам крови, а затем – клеткам. Вследствие чего улучшается обмен веществ в организме.
Взаимодействие электрических зарядов
Два одноименных заряда, будь то два протона либо два электрона сопротивляются сближению и пытаются удалиться друг от друга. Этот процесс обычно называют отталкиванием. Первый закон описывающий взаимодействие электрических зарядов говорит: заряды с одинаковым знаком (т. е. одноименные) отталкиваются друг от друга (рис.2.1.). Второй закон взаимодействия электрических зарядов гласит: разноименные (заряды с разным знаком) притягиваются друг к другу.
Отрицательно заряженные электроны притягиваются к положительно заряженным протонам в ядре атома. Почему же электрон остается на орбите и не падает на ядро? Это происходит в результате того, что сила притяжения электрона уравновешивается центростремительной силой, возникающей за счет вращения электрона вокруг ядра.
Значение величины сил отталкивания и притяжения, существующих между двумя заряженными телами, зависит от следующих факторов: расстояния между телами и их зарядов.
Заряд отдельного электрона очень мал, поэтому в практике не используется. Принятой в мире единицей измерения заряда является кулон (Кл). Она названа в честь французского ученого Шарля Кулона, обозначается буквой Q. Один кулон это 6,28*10 18 зарядов электронов.
Электрические заряды возникают за счет смещения электронов. Когда имеется дефицит электронов в одной точке и избыток в другой, как мы уже говорили, возникает разность потенциалов. Если две точки, между которыми существует разность потенциалов, соединить проводником, то по проводнику потекут электроны. Тогда этот поток электронов называется электрическим током.
ПОНРАВИЛАСЬ СТАТЬЯ? ПОДЕЛИСЬ С ДРУЗЬЯМИ В СОЦИАЛЬНЫХ СЕТЯХ!
Электростатика. Взаимодействие зарядов. Два вида электрических зарядов.
Простые опыты по электризации различных тел иллюстрируют следующие положения.
1. Существуют заряды двух видов: положительные (+) и отрицательные (-). Положительный заряд возникает при трении стекла о кожу или шелк, а отрицательный — при трении янтаря (или эбонита) о шерсть.
2. Заряды (или заряженные тела) взаимодействуют друг с другом. Одноименные заряды отталкиваются, а разноименные заряды притягиваются.
3. Состояние электризации можно передать от одного тела к другому, что связано с переносом электрического заряда. При этом телу можно передать больший или меньший заряд, т. е. заряд имеет величину. При электризации трением заряд приобретают оба тела, причем одно — положительный, а другое — отрицательный. Следует подчеркнуть, что абсолютные величины зарядов наэлектризованных трением тел равны, что подтверждается многочисленными измерениями зарядов с помощью электрометров.
Элементарный электрический заряд (е) — это наименьший электрический заряд, положительный или отрицательный, равный величине заряда электрона:
Заряженных элементарных частиц существует много, и почти все они обладают зарядом +e или -e, однако эти частицы весьма недолговечны. Они живут меньше миллионной доли секунды. Только электроны и протоны существуют в свободном состоянии неограниченно долго.
Протоны и нейтроны (нуклоны) составляют положительно заряженное ядро атома, вокруг которого вращаются отрицательно заряженные электроны, число которых равно числу протонов, так что атом в целом электроцентралей.
В обычных условиях тела, состоящие из атомов (или молекул), электрически нейтральны. Однако в процессе трения часть электронов, покинувших свои атомы, может перейти с одного тела на другое. Перемещения электронов при этом не превышают размеров межатомных расстояний. Но если тела после трения разъединить, то они окажутся заряженными; тело, которое отдало часть своих электронов, будет заряжено положительно, а тело, которое их приобрело, — отрицательно.
Итак, тела электризуются, т. е. получают электрический заряд, когда они теряют или приобретают электроны. В некоторых случаях электризация обусловлена перемещением ионов. Новые электрические заряды при этом не возникают. Происходит лишь разделение имеющихся зарядов между электризующимися телами: часть отрицательных зарядов переходит с одного тела на другое.
Определение заряда.
Следует особо подчеркнуть, что заряд является неотъемлемым свойством частицы. Частицу без заряда представить себе можно, но заряд без частицы — нельзя.
Проявляют себя заряженные частицы в притяжении (разноименные заряды) либо в отталкивании (одноименные заряды) с силами, на много порядков превышающими гравитационные. Так, сила электрического притяжения электрона к ядру в атоме водорода в 10 39 раз больше силы гравитационного притяжения этих частиц. Взаимодействие между заряженными частицами называется электромагнитным взаимодействием, а электрический заряд определяет интенсивность электромагнитных взаимодействий.
В современной физике так определяют заряд:
Электрический заряд — это физическая величина, являющаяся источником электрического поля, посредством которого осуществляется взаимодействие частиц, обладающих зарядом.
Взаимодействие заряженных тел. Закон Кулона. ЗСЭ заряда. Электрическое поле
Электрический заряд — физическая величина, определяющая интенсивность электромагнитных взаимодействий.
Носителями отрицательных зарядов в атоме являются электроны, носителями положительных зарядов — протоны.
Все тела в обычном состоянии не заряжены. Чтобы тело получило заряд, его нужно наэлектризовать: отделить отрицательный заряд от связанного с ним положительного. Простейший способ электризации – трение.
При электризации тел трением происходит перераспределение имеющихся электронов между нейтральными, в первый момент телами, т.е в теле возникает избыток или недостаток электронов. При этом новые частицы не возникают, а существовавшие ранее не исчезают.
При электризации тел выполняется закон сохранения электрического заряда. Он справедлив для изолированной системы. В изолированной системе алгебраическая сумма зарядов всех частиц сохраняется:
В природе существует только два вида электрических зарядов: положительные и отрицательные. Одноимённые заряды отталкиваются, разноимённые – притягиваются: 
Взаимодействие между заряженными частицами называется электромагнитным.
Неподвижные точечные электрические заряды q1 и q2 взаимодействуют в вакууме согласно закону Кулона с силой 
где коэффициент 
, q — заряд выражается в кулонах (Кл), r — расстояние между заряженными телами (м).
Сила взаимодействия двух точечных неподвижных заряженных тел в вакууме прямо пропорциональна произведению модулей этих зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Это основной закон электростатики Шарлем Кулоном был экспериментально установлен в 1785 г. и носит его имя.
Существует минимальный заряд, называемый элементарным, которым обладают все заряженные элементарные частицы: 
Взаимодействие зарядов осуществляется посредством электрического поля. Электрическим полем называют вид материи, посредством которой происходит взаимодействие электрических зарядов. Поле неподвижных зарядов называется электростатическим.
Свойства электрического поля:
Напряженность поля определяет силу, действующую на заряд: 
Напряженность — векторная физическая величина, численно равная отношению силы, действующей на заряд, помещенный в данную точку поля, к величине этого заряда. 
, 
Напряженность не зависит от величины заряда, помещенного в поле. 
, если q>0. 
, если q Опубликовано 21/06/2015 21/06/2015 Автор admin Рубрики экзаменационные билеты по физике Метки Билет №13, взаимодействие заряженных тел, Все тела в обычном состоянии не имеют заряда. Чтобы тело получило заряд, закон Кулона, закон сохранения электрического заряда, электрическое поле
Взаимодействие заряженных тел и формулировка закона Кулона
Одним из главных правил электростатики, пожалуй, таким же важным, как сохранение заряда, является закон Кулона. Взаимодействие заряженных тел происходит из-за существующего явления природы. Французский учёный смог не только подтвердить его существование, но и найти способ количественного расчёта силы, возникающей при электризации веществ. Это позволило вывести науку на новый уровень и предопределить дальнейшее её развитие.
Общие сведения
Раздел физики, занимающийся изучением взаимодействия неподвижных зарядов, называется электростатикой, а электродинамика изучает магнитные и электрические явления. Магнетизм и электричество — это нераздельные явления. С точки зрения физики, существуют два основных вида взаимодействия:
В Древней Греции были популярны различные украшения. Некоторые из них делались из «солнечного камня» — электрона. Около 600 лет до н. э. известный философ Фалес Милетский обратил внимание, что если янтарное украшение вытереть шерстяной тканью, то к нему начинают приставать пылинки и кусочки бумаги. Своё открытие исследователь назвал янтарностью, но объяснить явление природы философ не мог.
Из физики известно, что всё на свете взаимодействует со всем. Например, камни, лежащие в руке, притягиваются не только к ней, но и друг к другу, к Земле и к окружающим предметам. Но это явление незаметное из-за небольшой массы тел. Такое взаимодействие называется гравитационным. Оказывается, что этого рода притяжение из всех взаимодействий самое слабое. Однако можно создать условия, при которых предметы начинают притягиваться друг к другу. Причём это притяжение становится видимым. Оно получило название электростатическое.
Учёным стало известно, что на предметах может появляться нечто, что вызывает взаимодействие. Это что-то назвали электрическим зарядом. Сказать, что он собой представляет, физики не могут.
Природа так устроена, что если на телах появляется это нечто, то они начинают участвовать в электростатическом взаимодействии. Таким образом, электрическим зарядом назвали присутствие того, что вызывает между ними электрические силы.
Как оказалось, заряды существуют всегда. При этом их число в замкнутой системе постоянное. Отличается электростатическое взаимодействие от гравитационного тем, что первое вызывает не только притягивание, но и отталкивание. Связано это с тем, что при возникновении явления происходит не рождение зарядов, а их разделение.
Свойства заряженных тел
Для того чтобы наэлектризовать тела, нужно обеспечить между ними контакт. Сделать это довольно просто путём трения. Шарль Дюфэ во время экспериментов обнаружил, что при таком действии происходит изменение состояния обоих участвующих тел. При этом по отношению к третьему веществу вели они себя по-разному. Он узнал, что наэлектризованные тела могут не только притягиваться, но и отталкиваться.
Учёный сделал вывод, что существует два вида зарядов. По виду веществ, использующихся в опытах, они были названы стеклянными и эбонитовыми. Физики, проводя аналогию с математическими действиями, условились их называть положительными и отрицательными. На основании открытия существования разных родов зарядов были установлены два принципа:
Как позже выяснилось, что носителем заряда, участвующим в переносе, является электрон. Это отрицательная частица, способная двигаться в теле. Таким образом, при электризации не появляются заряды, а просто происходит их разделение. Электроны перемещаются на одно из взаимодействующих тел и создают там избыток отрицательных частиц. В это же время вещество, которое их потеряло, начинает испытывать в них недостаток — заряжается положительно. При этом количество частиц остаётся неизменным.
Изучение разделения помогло открыть закон сохранения электрических зарядов. Он гласит, что их алгебраическая сумма равняется нулю. Но это утверждение справедливо лишь для изолированной системы — той, на которую не действуют сторонние внешние силы. Математическое описание закона выглядит так: |q1| + |q2| = 0, где q — величины зарядов, взятые по модулю.
Величина заряда
В физике количественно величину заряда измеряют в кулонах. Если взять два заряда по одному кулону и разместить их на расстоянии один метр друг от друга, то сила их взаимодействия составит 9 * 10 9 ньютон [Н].
В некоторых случаях можно заставить двигаться заряды направлено. В этом случае говорят о появлении электрического тока. За одно и то же время через поперечное сечение проводника количество прошедших частиц может быть разным. Поэтому ввели такое понятие, как сила тока. По сути, этот параметр определяет скорость движения зарядов. Находится он по формуле: I = q / t. Измеряется сила в единицах, получивших название ампер [А].
При протекании электрического тока происходят следующие явления:
Из указанных действий в качестве эталона кулона было решено использовать последнее действие. Если ток протекает по двум параллельным проводникам в одну сторону, то они притягиваются, а если в другую — отталкиваются.
Для обнаружения электрических зарядов используется устройство, построенное в 1600 году Уильямом Гилбертом — электроскоп. Измеритель относится к простейшим приборам, поэтому его точность в определении величины является низкой, но вместе с тем он позволяет узнать знак заряда того или иного тела. Существует его более совершённая модель — электромер.
Опыт Кулона
Точечный заряд является аналогом материальной точки в области механики. С его помощью могут быть достаточно точно изображены взаимодействия заряженных тел. Правильно ли понимается процесс влияния заряженных тел друг на друга, в 1782 году решил проверить французский инженер и исследователь Шарль Огюстен де Кулон.
Его экспериментальная работа и проведённый по ней анализ позволил сформулировать закон, позже названный его именем. Он гласит, что два точечных неподвижных заряда, расположенные в вакууме, осуществляют взаимодействие силами, лежащими на одной прямой, проходящей через них, которые зависят от произведения их модулей и квадрата расстояния между ними. В математическом виде закон Кулона записывается так: F = k * (|q1| * |q2| / r2), где k — постоянная, равняющаяся 9 * 10 9 [Н*м2 / Кл].
Изучение того, почему осуществляется взаимодействие, и как его можно оценить количественно, позволило учёному сделать важные для развития науки выводы:
Так как Кулон был военным инженером, в основном он занимался изучением деформации через силы трения и кручения. Для проведения экспериментов изобретатель придумал крутильные весы. Состояли они из серебряной проволоки, прикреплённой к вращающемуся диску. К нему была приделана стрелка и шкала. С другого конца проволоки крепилось коромысло, изготовленное из шёлковой нити, покрытой сургучом. На планке располагался шарик.
Через отверстие в корпусе Кулон с помощью диэлектрического стержня опускал внутрь устройства заряженный шар и соприкасал его с установленной сферой в приборе. Так как они были одинакового размера, то заряд перераспределялся поровну и был одноимённый. Из-за этого коромысло разворачивалось и занимало определённое положение.
После соприкосновения Кулон измерял угол отклонения. Поворачивая стержень, инженер добивался уменьшения угла в два раза. При этом он отмечал, что крутить ручку приходилось на большее значение. В результате многочисленных опытов учёный установил, что при уменьшении расстояния между телами в два раза угол закручивания изменялся в четыре раза. Полученная информация и позволила Кулону вывести один из главных законов взаимодействия тел.