§ 1.1. Заряженные тела. Электризация тел
В электродинамике, созданной Максвеллом, рассматриваются электромагнитные взаимодействия не отдельных заряженных элементарных частиц, а макроскопических тел.
Макроскопические тела, как правило, электрически нейтральны. Нейтрален атом любого вещества, так как число электронов в нем равно числу протонов в ядре. Положительно и отрицательно заряженные частицы связаны друг с другом электрическими силами и образуют нейтральные системы.
Тело больших размеров заряжено в том случае, когда оно содержит избыточное количество элементарных частиц с одним знаком заряда. Отрицательный заряд тела обусловлен избытком электронов по сравнению с протонами, а положительный заряд — их недостатком.
Электризация тел
Для того чтобы получить электрически заряженное макроскопическое тело или, как говорят, наэлектризовать его, нужно отделить часть отрицательного заряда от связанного с ним положительного*.
Проще всего это сделать с помощью трения. Если провести расческой по волосам, то небольшая часть наиболее подвижных заряженных частиц — электронов — перейдет с волос на расческу и зарядит ее отрицательно, а волосы зарядятся положительно.
С помощью несложного опыта можно доказать, что при электризации трением оба тела приобретают противоположные по знаку, но одинаковые по модулю заряды.
Возьмем электрометр (электроскоп в металлическом корпусе) с укрепленной на его стержне металлической сферой с отверстием и две пластины на длинных рукоятках: одну из эбонита, а другую — из плексигласа. При трении друг о друга пластины электризуются. Внесем одну из пластин внутрь сферы, не касаясь ее стенок. Если пластина заряжена положительно, то часть электронов со стрелки и стержня электрометра притянется к пластине и соберется на внутренней поверхности сферы. Стрелка при этом зарядится положительно и оттолкнется от стержня (рис. 1.1).
Рис. 1.1 и 1.2
Если поместить внутрь сферы другую пластину, вынув предварительно первую, то электроны сферы и стержня будут отталкиваться от пластины и соберутся в избытке на стрелке. Это вызовет отклонение стрелки, причем на тот же угол, что и в первом опыте. Опустив обе пластины внутрь сферы, мы не обнаружим отклонения стрелки (рис. 1.2). Это доказывает, что заряды пластин равны по модулю и противоположны по знаку. Этот вывод непосредственно вытекает из закона сохранения заряда.
Как происходит электризация тел?
Наэлектризовать тела с помощью трения очень просто. А вот объяснить, как это происходит, оказалось очень непростой задачей. На протяжении многих десятков лет давалось, да и сейчас дается следующее объяснение. При электризации тел важен тесный контакт между ними. Электрические силы удерживают электроны внутри тела. Но для разных веществ эти силы различны. При тесном контакте небольшая часть электронов того вещества, у которого связь электронов с телом относительно слаба, переходит на другое тело. Перемещения электронов при этом не превышают размеров межатомных расстояний (10 -8 см). Но если тела разъединить, то оба они окажутся заряженными.
Так как поверхности тел никогда не бывают идеально гладкими, то необходимый для перехода тесный контакт между телами устанавливается только на небольших участках поверхностей. При трении тел друг о друга число участков с тесным контактом увеличивается, и тем самым увеличивается общее число заряженных частиц, переходящих от одного тела к другому.
Однако в последнее время это объяснение электризации трением стало вызывать возражения. Не ясно, как в таких не проводящих ток веществах (изоляторах), как эбонит, плексиглас и другие, могут перемещаться электроны. Они ведь связаны в нейтральных молекулах. Сотрудниками физико-технического института в Санкт-Петербурге было предложено другое объяснение.
Для ионного кристалла LiF (изолятора) это объяснение выглядит так. При образовании кристалла возникают различного рода дефекты, в частности вакансии — незаполненные места в узлах кристаллической решетки. Если число вакансий для положительных ионов лития и отрицательных — фтора неодинаково, то кристалл окажется при образовании заряженным по объему. Но заряд в целом не может сохраняться у кристалла долго. В воздухе всегда имеется некоторое количество ионов, и кристалл будет их вытягивать из воздуха до тех пор, пока заряд кристалла не нейтрализуется слоем ионов на его поверхности. У разных изоляторов объемные заряды различны, и поэтому различны заряды поверхностных слоев ионов. При трении поверхностные слои ионов перемешиваются, и при разъединении изоляторов каждый из них оказывается заряженным.
А могут ли электризоваться при трении два одинаковых изолятора, например те же кристаллы LiF? Если они имеют одинаковые собственные объемные заряды, то нет. Но они могут иметь и различные собственные заряды, если условия кристаллизации были разными и появилось разное число вакансий.
Как показал опыт, электризация при трении одинаковых кристаллов рубина, янтаря и др. действительно может происходить.
Однако приведенное объяснение вряд ли правильно во всех случаях. Если тела состоят, к примеру, из молекулярных кристаллов, то появление вакансий у них не должно приводить к заряжению тела.
Таким образом, мы видим, что такое простое, казалось бы, явление, как электризация трением, содержит немало загадочного.
Электризация тел и ее применение в технике
Значительная электризация происходит при трении синтетических тканей. Снимая нейлоновую рубашку в сухом воздухе, можно слышать характерное потрескивание. Между заряженными участками трущихся поверхностей проскакивают маленькие искорки. С подобным явлением приходится считаться на производстве. Так, нити пряжи на текстильных фабриках электризуются за счет трения, притягиваются к веретенам и рвутся. Пряжа притягивает пыль и загрязняется. Поэтому необходимо принимать различные меры против электризации нитей.
Разматывая в типографии большие рулоны бумаги, рабочие надевают резиновые перчатки, чтобы предохранить себя от электрических разрядов, возникающих между наэлектризованной бумагой и руками.
Большие электрические заряды накапливаются при трении шин об асфальт при сухой погоде. Возникает опасность проскакивания искры. Поэтому сзади машин — цистерн для горючего — прикрепляют металлические цепи, волочащиеся по дороге. Иногда даже легковые машины снабжены эластичной лентой из проводяш;ей резины.
За счет электризации трением работает обычная электростатическая машина.
Явление электризации тел при тесном контакте используется в современных электрокопировальных установках (типа «Эра», «Ксерокс» и др.).
Так, в одной из этих установок черный смоляной порошок перемешивается с мельчайшими стеклянными шариками. При этом шарики заряжаются положительно, а частицы порошка — отрицательно. Вследствие притяжения они покрывают поверхность шариков тонким слоем.
Копируемый текст или чертеж проецируется на тонкую селеновую пластину, поверхность которой заряжена положительно. Пластина покоится на отрицательно заряженной металлической поверхности. Под действием света пластина разряжается, и положительный заряд остается лишь на участках, соответствующих темным местам изображения. Затем пластина покрывается тонким слоем шариков. Благодаря притяжению разноименных зарядов смоляной порошок притягивается к положительно заряженным участкам пластины. После этого шарики стряхивают и, плотно прижав к пластине лист бумаги, получают на ней отпечаток. Отпечаток закрепляют с помош;ью нагревания.
Макроскопическое тело электрически заряжено в том случае, если оно содержит, избыточное количество элементарных частиц с одним знаком заряда. Отрицательный заряд тела обусловлен избытком электронов по сравнению с протонами, а положительный — недостатком электронов.
Вопросы для самопроверки
- Эбонитовая палочка при электризации зарядилась отрицательно. Осталась ли неизменной масса палочки?
- Известно, что стеклянная палочка, потертая о пхелк, заряжается положительно. Определите экспериментально знак заряда пластмассовой ручки, потертой о шерсть.
* Здесь и в дальнейшем для краткости мы часто будем говорить о зарядах, перемещении зарядов и т. д. В действительности же при этом имеются в виду заряженные тела (или частицы), перемещение заряженных частиц и т. д., так как заряда без частицы не существует.
SA. Электрический заряд
Электрические явления известны с древних времен. Еще в древней Греции (VII в. до н.э.) заметили, что если янтарь потереть о шерсть, то он будет притягивать различные легкие предметы.
Позже В.Гильберт (XVI в.) обнаружил, что свойством притягивать легкие предметы обладают, кроме янтаря, фарфор и многие другие тела, предварительно натертые кожей или другими мягкими материалами. Это явление В. Гильберт назвал электризацией (electron по-гречески — янтарь).
О телах, способных к таким взаимодействиям, говорят, что они электрически заряжены, т.е. им сообщен электрический заряд.
Электрический заряд q — это физическая скалярная величина, характеризующая способность тел участвовать в электромагнитных взаимодействиях.
Электрический заряд обозначается буквами q или Q. В Международной системе единиц (СИ) единицу заряда – кулон устанавливают с помощью единицы силы тока:
- 1 кулон (Кл) – это заряд, проходящий за 1 с через поперечное сечение проводника при силе тока в 1 А.
Сообщить небольшому телу заряд в 1 Кл невозможно, поэтому чаще всего мы будем использовать кратные величины:
- *Два заряда по 1 Кл на расстоянии 1 км отталкивались бы друг от друга с силой, чуть меньшей силы, с которой земной шар притягивает груз массой в 1 т. Поэтому, отталкиваясь друг от друга, заряженные частицы не смогли бы удерживаться на таком теле.
Заряд в 1 Кл очень велик. Но в проводнике, который в целом нейтрален, привести в движение заряд в 1 Кл не составляет большого труда. Ведь в обычной электрической лампочке мощностью 100 Вт при напряжении 127 В устанавливается ток, немного меньший 1 А. При этом за 1 с через поперечное сечение проводника проходит заряд, почти равный 1 Кл.
Для обнаружения и измерения электрических зарядов применяется электрометр. Электрометр состоит из металлического стержня и стрелки, которая может вращаться вокруг горизонтальной оси (рис. 1). Стержень со стрелкой закреплен в плексигласовой втулке и помещен в металлический корпус цилиндрической формы, закрытый стеклянными крышками.
Прикоснемся положительно заряженной палочкой к стержню электрометра. Мы увидим, что стрелка электрометра отклоняется на некоторый угол (см. рис. 1). Поворот стрелки объясняется тем, что при соприкосновении заряженного тела со стержнем электрометра электрические заряды распределяются по стрелке и стержню. Силы отталкивания, действующие между одноименными электрическими зарядами на стержне и стрелке, вызывают поворот стрелки. Наэлектризуем эбонитовую палочку еще раз и вновь коснемся ею стержня электрометра. Опыт, показывает, что при увеличении электрического заряда на стержне угол отклонения стрелки от вертикального положения увеличивается. Следовательно, по углу отклонения стрелки электрометра можно судить о значении электрического заряда, переданного стержню электрометра.
Подобно тому, как в механике часто используется понятие материальной точки, позволяющее значительно упростить решение многих задач, в электростатике используют понятие «точечный заряд».
- Точечный заряд – это такое заряженное тело, размеры которого значительно меньше расстояния от этого тела до точки наблюдения и других заряженных тел.
В частности, если говорят о взаимодействии двух точечных зарядов, то тем самым предполагают, что расстояние между двумя рассматриваемыми заряженными телами значительно больше их линейных размеров.
Свойства электрического заряда
Совокупность всех известных экспериментальных фактов позволяет выделить следующие свойства заряда:
- Существует два рода электрических зарядов, условно названных положительными и отрицательными. Положительно заряженными называют тела, которые действуют на другие заряженные тела так же, как стекло, наэлектризованное трением о шелк. Отрицательно заряженными называют тела, которые действуют так же, как эбонит, наэлектризованный трением о шерсть. Выбор названия «положительный» для зарядов, возникающих на стекле, и «отрицательный» для зарядов на эбоните совершенно случаен.
- Кикоин А.К. Два вида электричества (Из истории физики) //Квант. — 1984. — № 1. — С. 34-36
- Заряды могут передаваться (например, при непосредственном контакте) от одного тела к другому. В отличие от массы тела электрический заряд не является неотделимой характеристикой данного тела. Одно и то же тело в разных условиях может иметь разный заряд. Но заряда без тела не существует.
- Заряды взаимодействуют друг с другом: одноименные заряды отталкиваются, разноименные – притягиваются.
- Электрический заряд дискретен. Это означает, что существует некоторый наименьший, универсальный, далее не делимый элементарный заряд, так что заряд q любого тела является кратным этому элементарному заряду: \(~q = N \cdot e\) , где N – целое число зарядов, e = 1,6∙10 -19 Кл – величина элементарного заряда. Примером частиц с элементарным положительным зарядом является протон, с элементарным отрицательным зарядом — электрон. *Поскольку величина элементарного заряда весьма мала, то для большинства наблюдаемых и используемых на практике заряженных тел число N столь велико, что дискретный характер изменения заряда не проявляется. Поэтому считают, что в обычных условиях электрический заряд тел изменяется практически непрерывно.
- В электрически нейтральном теле число протонов и электронов одинаково и они равномерно распределены по всему объему. Если число электронов в теле меньше числа протонов, то оно заряжено положительно, а если избыток электронов, то тело заряжено отрицательно. Именно этот избыточный заряд и называют зарядом тела: q = (Np — Ne) e, где Np — число протонов, Ne — число электронов.
- Закон сохранения электрического заряда в замкнутой системе алгебраическая сумма электрических зарядов остается постоянной при любых взаимодействиях внутри ее: \(~q_1 + q_2 + \ldots + q_n = \operatorname\) . Изолированной (или замкнутой) системой называют систему тел, в которую не добавляют и не выводят из нее электрические заряды.
Нигде и никогда в природе не возникает и не исчезает электрический заряд одного знака. Появление положительного электрического заряда всегда сопровождается появлением равного по модулю отрицательного заряда. Ни положительный, ни отрицательный заряд не могут исчезнуть в отдельности, они могут лишь взаимно нейтрализовать друг друга, если равны по модулю.
Причина сохранения электрического заряда до сих пор пока неизвестна.
Электризация тела
Для того чтобы получить электрически заряженное макроскопическое тело или, как говорят, наэлектризовать его, нужно отделить часть отрицательного заряда от связанного с ним положительного.
- Проще всего это сделать с помощью трения. Если провести расческой по волосам, то небольшая часть наиболее подвижных заряженных частиц – электронов – перейдет с волос на расческу и зарядит ее отрицательно, а волосы зарядятся положительно. При электризации трением оба тела приобретают противоположные по знаку, но одинаковые по модулю заряды.
- Еще один способ электризации тел – воздействие на них различных излучений (в частности, ультрафиолетового, рентгеновского и γ-излучения). Этот способ наиболее эффективен для электризации металлов, когда под действием излучений с поверхности металла выбиваются электроны, и проводник приобретает положительный заряд.
- Электризация через влияние или «электрическая индукция». При поднесении к проводнику положительного заряда электроны к нему притягиваются и накапливаются на ближайшем конце проводника. На нем оказывается некоторое число «избыточных» электронов, и эта часть проводника заряжается отрицательно. На удаленном конце образуется недостаток электронов и, следовательно, избыток положительных ионов: здесь появляется положительный заряд. При поднесении к проводнику отрицательно заряженного тела электроны накапливаются на удаленном конце, а на ближнем конце получается избыток положительных ионов. После удаления заряда, вызывающего перемещение электронов, они вновь распределяются по проводнику, так что все участки его оказываются по-прежнему незаряженными. Индуцированные заряды можно разделить, если в присутствии заряженного тела разделить проводник на части. В этом случае сместившиеся электроны уже не могут вернуться обратно после удаления внешнего заряда.
*Механизм электризации трением
Наэлектризовать тела с помощью трения очень просто. А вот объяснить, как это происходит, оказалось очень непростой задачей.
1 версия. При электризации тел важен тесный контакт между ними. Электрические силы удерживают электроны внутри тела. Но для разных веществ эти силы различны. При тесном контакте небольшая часть электронов того вещества, у которого связь электронов с телом относительно слаба, переходит на другое тело. Перемещения электронов при этом не превышают размеров межатомных расстояний (10 -8 см). Но если тела разъединить, то оба они окажутся заряженными. Так как поверхности тел никогда не бывают идеально гладкими, то необходимый для перехода тесный контакт между телами устанавливается только на небольших участках поверхностей. При трении тел друг о друга число участков с тесным контактом увеличивается, и тем самым увеличивается общее число заряженных частиц, переходящих от одного тела к другому. Но не ясно, как в таких не проводящих ток веществах (изоляторах), как эбонит, плексиглас и другие, могут перемещаться электроны. Они ведь связаны в нейтральных молекулах.
2 версия. На примере ионного кристалла LiF (изолятора) это объяснение выглядит так. При образовании кристалла возникают различного рода дефекты, в частности вакансии – незаполненные места в узлах кристаллической решетки. Если число вакансий для положительных ионов лития и отрицательных – фтора неодинаково, то кристалл окажется при образовании заряженным по объему. Но заряд в целом не может сохраняться у кристалла долго. В воздухе всегда имеется некоторое количество ионов, и кристалл будет их вытягивать из воздуха до тех пор, пока заряд кристалла не нейтрализуется слоем ионов на его поверхности. У разных изоляторов объемные заряды различны, и поэтому различны заряды поверхностных слоев ионов. При трении поверхностные слои ионов перемешиваются, и при разъединении изоляторов каждый из них оказывается заряженным.
А могут ли электризоваться при трении два одинаковых изолятора, например те же кристаллы LiF? Если они имеют одинаковые собственные объемные заряды, то нет. Но они могут иметь и различные собственные заряды, если условия кристаллизации были разными и появилось разное число вакансий. Как показал опыт, электризация при трении одинаковых кристаллов рубина, янтаря и др. действительно может происходить. Однако приведенное объяснение вряд ли правильно во всех случаях. Если тела состоят, к примеру, из молекулярных кристаллов, то появление вакансий у них не должно приводить к заряжению тела.
Закон Кулона
В 1785 г. французский физик Шарль Кулон экспериментально установил основной закон электростатики – закон взаимодействия двух неподвижных точечных заряженных тел или частиц.
Закон взаимодействия неподвижных электрических зарядов – закон Кулона – основной (фундаментальный) физический закон и может быть установлен только опытным путем. Ни из каких других законов природы он не вытекает.
Если обозначить модули зарядов через |q1| и |q2|, то закон Кулона можно записать в следующей форме:
где k – коэффициент пропорциональности, значение которого зависит от выбора единиц электрического заряда. В системе СИ \(~k = \dfrac = 9 \cdot 10^9\) Н·м 2 /Кл 2 , где ε0 – электрическая постоянная, равная 8,85·10 -12 Кл 2 /Н·м 2 .
- сила взаимодействия двух точечных неподвижных заряженных тел в вакууме прямо пропорциональна произведению модулей зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.
Эту силу называют кулоновской.
Закон Кулона в данной формулировке справедлив только для точечных заряженных тел, т.к. только для них понятие расстояния между зарядами имеет определенный смысл. Точечных заряженных тел в природе нет. Но если расстояние между телами во много раз больше их размеров, то ни форма, ни размеры заряженных тел существенно, как показывает опыт, не влияют на взаимодействие между ними. В этом случае тела можно рассматривать как точечные.
Легко обнаружить, что два заряженных шарика, подвешенные на нитях, либо притягиваются друг к другу, либо отталкиваются. Отсюда следует, что силы взаимодействия двух неподвижных точечных заряженных тел направлены вдоль прямой, соединяющей эти тела. Подобные силы называют центральными. Если через \(~\vec F_\) обозначить силу действующую на первый заряд со стороны второго, а через \(~\vec F_\) – силу, действующую на второй заряд со стороны первого (рис. 2, 3), то, согласно третьему закону Ньютона, \(~\vec F_ = -\vec F_\) .
Зная закон взаимодействия точечных заряженных тел, можно вычислить силу взаимодействия любых заряженных тел. Для этого тела нужно мысленно разбить на такие малые элементы, чтобы каждый из них можно было считать точечным. Складывая геометрически силы взаимодействия всех этих элементов друг с другом, можно вычислить результирующую силу взаимодействия.
Открытие закона Кулона – первый конкретный шаг в изучении свойств электрического заряда. Наличие электрического заряда у тел или элементарных частиц означает, что они взаимодействуют друг с другом по закону Кулона. Никаких отклонений от строгого выполнения закона Кулона в настоящее время не обнаружено.
Закон Кулона справедлив и для заряженных шаров на любом расстоянии между их центрами, если объемная или поверхностная плотность заряда каждого из них постоянна. (Отметим, что в отличие от гравитационного электростатическое взаимодействие может приводить к притяжению и отталкиванию тел.)
См. также
Литература
- Аксенович Л. А. Физика в средней школе: Теория. Задания. Тесты: Учеб. пособие для учреждений, обеспечивающих получение общ. сред, образования / Л. А. Аксенович, Н.Н.Ракина, К. С. Фарино; Под ред. К. С. Фарино. — Мн.: Адукацыя i выхаванне, 2004. — C. 209-210, 211-214.
- Жилко, В. В. Физика: учеб. пособие для 11-го кл. общеобразоват. учреждений с рус. яз. обучения с 12-летним сроком обучения (базовый и повышенный уровни) /В. В. Жилко, Л. Г. Маркович. — 2-е изд., исправленное. — Минск: Нар. асвета, 2008. — С. 72-79.
Урок по теме «Электризация тел. Закон сохранения электрического заряда. Закон Кулона»
Назад Вперёд
1 слайд.
Тема урока: «Электризация тел. Закон сохранения электрического заряда. Закон Кулона»
Сегодня на уроке нам предстоит узнать:
- Что называют электрическим зарядом и какими свойствами он обладает.
- Повторить основные сведения об электризации тел.
- Познакомиться с основным законом электростатики — законом Кулона.
2 слайд
За 600 лет до нашей эры древнегреческие ученые знали, что натертый о шерсть янтарь притягивает мелкие предметы.
Потрём эбонитовую палочку о мех и поднесём её к кусочкам бумаги — они подскочат и прилипнут к палочке, а спустя некоторое время, отскочат от неё.
Значит, в результате соприкосновения и трения о мех эбонитовая палочка приобрела новое качество, выражающееся, в частности, в том, что она стала способной притягивать к себе лёгкие тела с силой, значительно превышающей силу гравитационного притяжения. Тела, соприкоснувшиеся с потёртой о мех эбонитовой палочкой, приобретают способность притягиваться и отталкиваться от неё. Наблюдаемые явления и есть электризация тел. Уильям Гильберт назвал наэлектризованными тела, способные после их натирания притягивать легкие предметы.
Сейчас мы говорим, что при электризации тела приобретают электрический заряд.
3 слайд
Выясним, что скрывается за утверждением данное тело или частица имеют электрический заряд.
Все тела построены из мельчайших, неделимых на более простые частиц, которые поэтому называют элементарными. Все элементарные частицы имеют массу и благодаря этому притягиваются друг к другу. Кроме того, большинство элементарных частиц, обладают способностью взаимодействовать друг с другом с силой, в огромное число раз превосходящую силу тяготения. Так в атоме водорода электрон притягивается с силой в 1039 раз превышающей силу гравитационного притяжения. Если частицы взаимодействуют друг с другом с силами, которые медленно уменьшаются с увеличением расстояния и во много раз превышают силы всемирного тяготения, то говорят, что эти частицы имеют электрический заряд. Взаимодействия между заряженными частицами называются электромагнитными.
Электрический заряд — это скалярная физическая величина, определяющая интенсивность электромагнитных взаимодействий.
Электрический заряд обозначается латинской буквой q, Q и измеряется в СИ в Кл.
4 слайд
Рассмотрим свойства электрического заряда.
Опыты показывают, что существует два вида зарядов — положительный «+» и отрицательный «-». Положительный заряд можно получить на стеклянной палочке, потерев ее о шелк, отрицательный заряд — на эбонитовой палочке, потерев ее о кусок меха.
При этом одноименно заряженные тела отталкиваются, а разноименно заряженные тела притягиваются.
5 слайд
Макроскопическое тело приобретает электрический заряд в процессе электризации.
Электризация — это процесс разделения и перераспределения зарядов между телами, участвующими в этом процессе.
Заряд макроскопического тела положителен, если в процессе электризации тело «потеряло» некоторое число электронов.
Заряд макроскопического тела считается отрицательным, если в процессе электризации оно «приобрело» некоторое число электронов.
Опыт показывает, что при электризации оба тела приобретают заряды противоположных знаков и равные по модулю.
6 слайд
Остановимся на четырех возможных типах электризации.
1. Электризациятрением
При тесном соприкосновении двух различных тел часть электронов переходит с одного тела на другое. При трении стекла об асбест стекло заряжается отрицательно, а асбест — положительно. Положительно заряжается вещество, отдающее электроны (асбест). В атоме такого вещества электрон слабо связан с атомом. В другом веществе (стекле) атом готов присоединить электрон, образуя отрицательный ион. При этом стекло заряжается отрицательно.
В результате трения стекла о шелк стекло заряжается положительно, а шелк отрицательно.
В общем случае при взаимном трении положительно заряжается вещество, имеющее меньшую энергию связи электронов в атоме, а отрицательно — большую. Уменьшение числа электронов в одном теле равно увеличению их числа в другом.
2. Электризация соприкосновением
При соприкосновении заряженной стеклянной палочки с электронейтральным шаром, подвешенным на нити, часть заряда переходит на шар. Последующее отталкивание одноименных зарядов отклоняет шар от положения равновесия. Заряд, полученный телом при соприкосновении, зависит от размера тела. Чем больше размеры тела, тем большая часть заряда перейдет на него при соприкосновении. Это свойство используется при заземлении. Земной шар имеет значительно большие размеры, по сравнению с телами, которые на нем находятся. Передавая заряд земле, тело становится электрически нейтральным, потому что на землю стекает почти весь заряд тела.
7 слайд
3. Электризация влиянием
Электризация влиянием иллюстрируется перераспределением зарядов на поверхности электронейтральной металлической сферы под действием электрического поля отрицательно заряженного стержня. В результате на удаленной стороне оказывается некоторое число «избыточных» электронов, и эта часть заряжается отрицательно. В той части сферы, которая расположена ближе к стержню оказывается избыток положительных ионов, здесь появляется положительный заряд. Если эту сферу привести в соприкосновение с электронейтральной, то часть заряда переходит на вторую сферу.
4. Электризация под действием света
Проводники могут приобретать заряд под действием света. Явление заключается в том, что под действием света электроны могут вылететь из проводника в окружающее пространство, благодаря чему проводник заряжается положительно. Это явление носит название фотоэлектрического эффекта.
8 слайд
2 свойство электрического заряда
Электрический заряд обладает свойством аддитивности. Заряд любой системы заряженных тел или частиц равен сумме зарядов тел или частиц, входящих в эту систему.
3 свойство электрического заряда
Американский физик Р.Милликен экспериментально показал, что электрический заряд дискретен. В природе существует минимальная порция электрического заряда — элементарный электрический заряд.
Элементарному заряду кратны заряды всех наблюдаемых элементарных частиц и макроскопического тела.
4 свойство электрического заряда
Экспериментальные исследования показывают, что электрический заряд не зависит от скорости движения тела или частицы относительно любой системы отсчета, т.е в любой системе отсчёта один и тот же электрический заряд остается одинаковым, т.е. он является инвариантной величиной.
5 свойство электрического заряда.
При электризации выполняется закон сохранения электрического заряда. Алгебраическая сумма электрических зарядов замкнутой системы тел сохраняется. Под замкнутой системой в электродинамике понимают такую систему, через границы которой не проникают другие заряды извне.
Подведем итог: Электрический заряд — инвариантная физическая величина, обладающая свойствами аддитивности, дискретности, сохранения в замкнутых системах тел.
9 слайд
Рассмотрим наиболее простой случай, когда электрически заряженные тела находятся в покое. Раздел электродинамики, посвященный изучению условий равновесия электрически заряженных тел, называют электростатикой. Основной закон электростатики был экспериментально установлен французским ученым Шарлем Огюстеном Кулоном в 1785 году.
Кулон поставил перед собой цель: установить, как зависит величина силы, действующей между заряженными телами, от зарядов на них и от расстояния между ними.
10 слайд
Кулон считал, что сила взаимодействия заряженных тел зависит от свойств среды между заряженными телами. Поэтому поместил заряженные тела в вакуум. Для проведения опыта ему нужно было подобрать такие тела, чтобы при взаимодействии перераспределением зарядов внутри них можно было пренебречь. Это возможно, если размеры заряженных тел малы по сравнению с расстоянием, на котором они расположены. Такие заряженные тела получили название точечных зарядов. Точечный заряд — это модель заряженного тела.
Прибор, с которым работал Кулон он сконструировал сам — это крутильные весы.
На очень тонкой упругой нити 1 подвешен за середину легкий хорошо изолирующий стержень 2, имеющий на одном конце проводящий шарик 3, а на другом диск 4, служащий противовесом и успокоителем. Верхний конец нити закреплен на вращающейся головке прибора, угол поворота которой можно точно измерять. Внутри прибора имеется такой же шарик 5, укрепленный на изолирующей ножке 6. Указанные части заключены в большой стеклянный цилиндр, предохраняющий стержень от движения воздуха. На поверхности цилиндра нанесена шкала, позволяющая определить расстояние между шариками 3 и 5 при различных их положениях. Головка прибора показана отдельно на рис.б.
Определяя вращающий момент, необходимый для закручивания нити на определенный угол, зная длину стержня, можно вычислить и силу, приложенную к шарику 3, которая обуславливает такой же вращающий момент.
11 слайд
В первой серии опытов Кулон определял, как зависит сила взаимодействия между заряженными точечными телами от расстояния между ними.
Он сообщал шарикам одинаковый заряд, шарики отталкивались друг от друга и отдалялись на некоторое расстояние, которое можно было измерить, отмечая соответствующее деление шкалы. Затем вращая указатель головки в направлении стрелки, закручивал нить подвеса и замечал те расстояния, на которые сближаются шарики при разных углах закручивания нити. Сравнивая различные силы кручения с соответствующими им расстояниями между шариками, Кулон пришел к выводу, что сила взаимодействия двух точечных зарядов обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.
12 слайд
Во второй серии опытов Кулон выяснял каким образом влияют на силу взаимодействия заряды.
Он сообщал шарикам одноименные заряды, устанавливал их на определенном расстоянии и измерял угол закручивания нити. Заряд шарика 5 можно менять. При соприкосновении заряженного шарика с точно таким же незаряженным заряды распределятся поровну между шариками. В результате заряд на шарике 5 уменьшится в 2, 4, 8 и т.д. раз. Соответственно уменьшится и заряд шарика 3.
Меняя заряды шариков, Кулон выяснил, что сила их взаимодействия прямо пропорциональна произведению модулей обоих зарядов.
13 слайд
Подобные опыты привели Кулона к установлению следующего закона: сила взаимодействия двух точечных неподвижных зарядов в вакууме прямо пропорциональна произведению модулей этих зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.
14 слайд
Рассмотрим единицы измерения физических величин, входящих в закон Кулона, и выясним физический смысл коэффициента пропорциональности.
15 слайд
Сила взаимодействия заряженных тел зависит от свойств среды, в которой они находятся. Сила взаимодействия двух точечных зарядов в среде всегда меньше силы взаимодействия этих зарядов на том же расстоянии в вакууме.
При этом отношение силы взаимодействия двух заряженных тел в вакууме к силе взаимодействия тех же зарядов на том же расстоянии в данной среде не зависит ни от модулей зарядов тел, ни от расстояния между ними. Значит эта величина является характеристикой данной среды. Она получила название диэлектрической проницаемости среды. Для каждой среды она определена и ее значение помещено в справочную таблицу. Тогда с учетом среды, закон Кулона запишется так.
16 слайд
Сила, описываемая законом Кулона, называется кулоновской силой. Она приложена к центру заряженного тела и направлена всегда вдоль прямой, соединяющей центры заряженных тел.
Для кулоновской силы справедлив третий закон Ньютона: заряды действуют друг на друга с силами, равными по модулю и противоположными по направлению.
17 слайд
Кулоновская сила взаимодействия двух зарядов не зависит от присутствия других заряженных тел.
Предположим, что заряд q взаимодействует с системой зарядов q1, q2, . qn. Если каждый из зарядов системы действует на заряд q с силой F1, F2. , Fn соответственно, то результирующая сила F, приложенная к заряду q со стороны данной системы, равна векторной сумме отдельных сил.
Принцип суперпозиции проиллюстрирован на рис.
18 слайд
Урок окончен. Спасибо за внимание.
GOS / 9 Электрическое поле
8. (18).1)Охарактеризовать систему знании об электрических зарядах и их взаимодействии. Понятием «электрический заряд», так же как и понятием электромагнитное поле», учащиеся овладевают постепенно по мере изучения электродинамики.
Школьникам сообщают, что заряд — количественная мера способности тел к электромагнитным взаимодействиям. При этом следует обратить их внимание на то, что термин «электрический заряд» употребляют в различных смыслах: как термин, равнозначный выражениям «заряженная частица», «заряженное тело», для обозначения физической величины.
Еще в базовом курсе физики учащиеся узнали о фундаментальном свойстве — о существовании зарядов двух видов, причем заря-1ы одного знака отталкиваются, заряды разных знаков притягиваются друг к другу. Очень важно разъяснить, что электрический заряд не тождествен веществу. Заряд всегда связан с материальным носителем — телом или частицей. Электрический заряд — неотъемлемое свойство некоторых элементарных частиц. Не существует заряда без материального носителя, хотя нейтральные элементарные частицы есть (нейтрон и др.).
При анализе опыта Иоффе-Милликена показывают, что электрический заряд дискретен, он может принимать строго определенные значения. Школьники должны знать: вся современная физика приводит к выводу о существовании атома электричества — элементарного заряда. Есть много доказательств дискретности заряда. Сейчас их ознакомят с одним из них, в дальнейшем они узнают о других. Необходимо подчеркнуть также, что дискретность заряда элементарных частиц — проявление одной из существенных особенностей микромира. Далее школьники узнают, что в микромире дискретность присуща и ряду характеристик движения, например энергии. Это создает некоторую основу для восприятия в дальнейшем идеи квантования в атомной и ядерной физике.
Учащиеся обязательно должны запомнить округленные значения элементарного заряда и массы покоя электрона: е= 1,6-10-19 Кл, me=9,1*10-31кг.
Полезно обсудить в процессе изучения электродинамики разные методы измерения заряда, например с помощью опыта Милликена или силы Лоренца; путем измерения силы тока и времени его протекания; на основе электролиза и др.
Школьникам разъясняют, что электрический заряд макроскопического тела равен сумме положительных и отрицательных зарядов частиц, входящих в состав данного тела. В обычном состоянии большинство тел электрически нейтральны, то есть число электронов в них, равно числу протонов. Нейтрален и атом любого вещества. Таким образом, положительно и отрицательно заряженные частицы в веществе связаны и образуют нейтральные системы. Чтобы получить заряженные макроскопические тела, необходимо нейтральные тела наэлектризовать, т. е. отделить часть отрицательного заряда от связанного с ним положительного. Рассматривают способы электризации. Макроскопическое тело можно зарядить двумя способами: электризацией трением (вернее сказать, соприкосновением) или электризацией через влияние.
Центральное место в разделе «Электродинамика» при изучении электрических зарядов занимает закон сохранения электрического заряда, который подтверждается всеми без исключения наблюдениями, проводившимися до сих пор. В старших классах возможна формулировка этого закона, которая учитывала бы атомистическое представление о строении электричества: в изолированной системе алгебраическая сумма зарядов всех частиц остается постоянной, заряженные частицы могут возникать вновь, но всегда рождаются парами: с одинаковыми по модулю и противоположными по знаку зарядами. Исчезают заряженные частицы тоже парами, превращаясь в нейтральные. Наряду с данной формулировкой можно дать и другую — макроскопическую, основанную на идее возможности измерения заряда: алгебраическая сумма зарядов в замкнутой системе остается неизменной во времени.
Школьникам дают возможное здесь доказательство справедливости закона сохранения заряда: одновременное появление противоположных по знаку, но равных по модулю зарядов при контактной электризации тел. Позднее они узнают о появлении двух противоположно заряженных частиц в процессе рождения электронно-позитронной пары, а также о превращении электронно-позитронной пары в фотоны, что также является доказательством этого закона. Можно рассказать еще, что любые процессы электризации тел (через влияние, химическая электризация в гальваническом элементе, фотоионизация и др.) сводятся по существу к разделению равных по модулю зарядов с противоположными знаками. Но не менее важно уяснить еще одно свойство заряда — его инвариантность, т.е. независимость модуля заряда от скорости движения заряженной частицы, а значит, и от системы отсчета. Школьникам объясняют, что закон сохранения электрического заряда тесно связан с инвариантностью заряда. Если бы величина заряда зависела от его скорости, то, приведя в движение заряды какого-нибудь одного знака, мы изменили бы суммарный заряд изолированной системы.
Таким образом, заряд не только сохраняется, но и не зависит от системы отсчета, он инвариантен. В этой связи надо заметить, что школьники часто отождествляют понятия «сохранение величины» и «инвариантность величины». Полезно обратить их внимание на то, что это не одно и то же: величина может сохраняться и, тем не менее, не быть инвариантной. Например, для таких величин, как энергия, масса, импульс, справедливы законы сохранения, и в то же время они изменяются при переходе от одной системы отсчета к другой, т. е. они не инвариантны. Все электромагнитные явления протекают так, как должно быть при абсолютности зарядов. Это является подтверждением принципа абсолютности (инвариантности)заряда.
Основные знания, которые должны приобрести школьники о взаимодействии зарядов, сводятся к следующему. Для неподвижных заряженных тел сила взаимодействия определяется законом Кулона. В случае движущихся зарядов сила электромагнитного взаимодействия существенно зависит от модуля и направления скорости. Соответственно электромагнитное взаимодействие как бы состоит из двух компонент: электрической и магнитной. Лишь в отдельных случаях (в некоторых системах отсчета) электромагнитное взаимодействие носит только электрический или только магнитный характер. Но поскольку скорость тела зависит от системы отсчета, то взаимодействие, его характер определяется системой отсчета.
Принципиально важно все время подчеркивать: взаимодействие между заряженными телами (частицами) осуществляется через поле. Заряженные тела (частицы) непосредственно друг с другом не взаимодействуют.
2) Электрическое поле в вакууме. По современным представлениям атомы и молекулы, состоящие из атомов, состоят из электрически заряженных частиц. Атом = ядро + электронная оболочка; ядро:z протонов + (A-z) нейтронов; протон: элементарный положительный заряд; qp=+e=1,6*10 -19 Кл, где z порядковый номер элемента в таблице Менделеева. Единицей электрического заряда в системе СИ является 1 Кл(большая величина статического заряда). Основной силовой характеристикой электрического поля окружающий электрически заряд является напряженность.
– вектор напряженности электростатического поля. Пространство окружающее электрический заряд находится в особом состоянии. Это состояние проявляется в том, что на помещенный в данную точку поля пробный электрический заряд действует сила. Пробный заряд должен быть малой величины, чтобы введение такого заряда не исказило электрическое свойство среды. По определению напряженность электрического поля равна силе, действующей в данной точке поля на единичный положительный пробный заряд.
;
;
Обычно ЭП изображают посредством силовых линии или линии напряженности, при условии, что густота линии напряженности пропорциональна напряженности в данной точке поля.
Наряду с напряженностью поля, которая является важнейшей силовой характеристикой ЭП, вводят понятие потенциал ЭП. Обозначается φ. Она является энергетической характеристикой ЭП. или
, где А-работа при перемещении заряда из данной точки. Связь между напряженностью ЭП и потенциалом:
,
–скалярная величина, а gradφ– векторная.
Принцип суперпозиции. Если в данной точке пространства различные заряженные частицы создают ЭП, напряженности которых и т.д., то результирующая напряженность в данной точке равна
– принцип суперпозиции.
3) Теорема Остроградского-Гауса. Рассмотрим поле точечного заряда. Проведем сферическую поверхность с центром где расположен заряд.
, ,
,
=
, [Ф]=В*м
Возьмем площадку dS(см. рис.) ,
,
=
, т.к.
,
,
. Рассмотрим вопрос о величине потока ФЕ через произвольную замкнутую поверхность.
проведем элементарный телесный угол ,
= между сечениями.
.
. Определим поток вектора электрической напряженности пронизывающи произвольную замкнутую поверхность при условии, что внутри этой поверхности находится не один точечный заряд, а несколько зарядов. Заряды могут иметь разные знаки.
,
.
Здесь нужно знать определение: выходящая из поверхности линия учитывается со знаком «+», входящая со знаком «-». Общее число пересечении всегда нечетное и алгебраическая сумма пересечении равна 1. Из приведенного рассмотрения следует важный вывод, который представляет собой суть теоремы Ост.-Г.: поток линии вектора электрической напряженности, создаваемый точечными зарядами, через произвольную замкнутую поверхность равен: ,находящийся внутри данной замкнутой поверхности.
Р ассмотрим случай, когда мы имеем заряженное облако:
. Введем понятие объемной плотности эл. заряда–
.
– если заряд расположен равномерно,
– не очень равномерно,
– сильно не равномерно.
,
.
. Теорема Остроградского_Гаусса
. По определению
. Ряд важных задач электростатики легко решаются с помощью теоремы Остроградского_Гаусса. В частности задачи по определению напряженности в данной точке ЭП. Особенно просто решаются задачи в случае центральной, осевой или плоскостной симметрии. Например: пусть у нас имеется бесконечная плоскость равномерно заряженная. Пусть положительным зарядом с постоянной поверхностной плотностью электрического заряда
.
. Задача. Определим напряженность в т.О. Алгоритм:
1. Выбери произвольную замкнутую поверхность проходящую через искомую точку и имеющую хорошую форму. 2. Запиши теорему Ост.-Г. 3. Запиши определение потока ФЕ.
=[
]=
.
,
,
,
.
4) Электроемкость. Опыт показывает, что при увеличении заряда на проводнике возрастает и его потенциал пропорционально заряду, причем зависимость между φ и q проводника оказываются прямопропорциональная.
или
, где С- коэффициент пропорциональности–электроемкость или кратко- емкость, т.е.
=
(фарада). В случае шара радиуса R и заряда q:
. На поверхности шара( проводника):
,
,
–емкость шара радиуса R. Емкость проводника не зависит от заряда проводника и его потенциала, она определяется размерами и формой проводника, а также наличием вблизи проводника других проводников.
5) Конденсаторы. Он представляет собой систему из двух проводников, которая имеет большую электроемкость. Существуют различные виды конденсаторов. а). плоский конденсатор. ,
,
,
.
Если пространство между пластинками заполнена диэлектриком с диэлектрической проницаемостью ξ, то емкость соответственно возрастает в ξ раз, и формула для расчета емкости принимает вид: . При наличии диэлектрика во всех выражениях электростатики вместо ξ0 входит ξξ0.
б) сферически конденсатор.
. Также можно написать и для φ1 и φ2.
–емкость сферического конденсатора. В реальности
очень мало, поэтому
, т.к.
.
в) цилиндрический конденсатор.
,
6) Энергия электростатического поля.
а).Энергия системы точечных неподвижных зарядов. .
–первое начало термодинамики.
–т.к. без теплообмена.
,
,
,
.
Можем сформировать то же самое поле системы 2-х точечных электрических зарядов иначе, полагая что +q2 находится в т.2, а 1-го заряда еще нет. Пусть первый заряд находится на ∞, мы будем перемещать его из ∞ в т. 1. Тогда мы получим ту же самую систему с той же самой энергией ,
. Можно сказать
,
,
. Добавим системе 3 точечный заряд
. Если много зарядов, то
.(*)
Вывод: энергия электростатического поля, состоящего из N зарядов, выражается формулой (*), где φi–потенциал, где находится данный i-ый заряд, создаваемый в этой точке всеми остальными зарядами, кроме данного i-го.
б) Энергия заряженного проводника:.
в) Энергия заряженного конденсатора: – для плоского конденсатора.
7) ЭП при наличии проводников. Рассмотрим проводник. Поверхностная плотность в разных местах будут различными. Исходя из теоремы Остроградского-Гаусса можно сказать, что напряженность ЭП в любой точке внутри проводника равна нулю. Исходя из соотношения между вектором E и вектором градиента (), можно сказать, что φ внутри заряженного проводника постоянна. Для дальнейших соображении важно что φ в любой точке одинаков, значит поверхность в любой точке проводника является эквипотенциальной. Значит линии напряженности входящие или выходящие вблизи поверхности идут перпендикулярно поверхности, т.к. семейство линии напряженности перпендикулярно к этой поверхности.
,
–определение.
,
,
.(*) Из приведенного рассмотрения вытекает следующие выводы: 1.Вне проводника: а) поверхность проводника является эквипотенциальной; б) вблизи поверхности линии напряженности и вектор напряженности перпендикулярно поверхности; в) вблизи поверхности соответствует (*).
2.Внутри проводника: а) ; б) (
). Предположим, что заряженный проводник имеет «-» заряд. Это значит, что он имеет некоторое избыточное число электронов. Они взаимодействуя по закону Кулона и имея «-» заряд, отталкиваются и стремятся разойтись как можно дальше. Т.к. рассматриваем проводник, т.е. обладают высокой проводимостью, т.е. электроны легко перемещаются, то в результате отталкивания расходятся друг от друга и оказываются в тончайшем слое проводника, причем большее скопление вблизи острия. Поэтому поверхностная плотность оказывается различной: на вогнутой мала, на выпуклой – побольше, вблизи заострении– очень большая:
. Напряженность ЭП вблизи острия тоже большая.
8) Раскрыть методику изучения одного из элементов знания. Электромагнитное поле.
Формирование понятия электромагнитного поля в курсе физики средней школы начинают в базовом курсе, а завершают в старших классах профильной школы. В базовом курсе при введении элементарных сведений об электромагнитных явлениях, дают первоначальные представления об электрическом и магнитном полях, в старших классах — проводят количественное изучение электромагнитных явлений, рассматривают частные случаи электромагнитного поля, их свойства и характеристики, вводят понятие электромагнитного поля; при изучении электромагнитных волн вводят понятие свободного электромагнитного поля, знания об электромагнитном поле расширяют и обобщают при изучении волновой оптики и квантовой физики.
Обычно понятие электрического поля вводят при изучении электростатических явлений и связывают с покоящимися заряда-ми, а понятие магнитного поля вводят при изучении постоянного тока и связывают с током или движущимися зарядами. Понятие электромагнитного поля можно вводить в различных местах раздела «Электродинамика»: при изучении магнитного поля движущегося заряда, при изучении электромагнитных колебаний и волн. Программа общеобразовательной средней школы рекомендует ввести это понятие при изучении явления электромагнитной индукции.
Наиболее целесообразно вводить понятие электромагнитного поля в начале изучения раздела «Электродинамика».Начать изучение учебного материала целесообразно с развернутого введения в электродинамику, где на основе уже имеющихся у школьников знаний вводят первоначальные представления об электромагнитном поле. Дальнейшее изучение электромагнитных явлений углубляет и расширяет знания об электромагнитном поле. Обычно можно предъявить такие замечания по содержанию и возможную методику изучения материала введения в электродинамику, где вводят понятие электромагнитного поля. После повторения и обобщения основных сведений об электромагнитных явлениях, полученных учащимися в базовом курсе физики, выясняют особенности электродинамики, сравнивают ньютоновскую механику и электродинамику. Школьникам напоминают, что в механике они изучали силы тяготения, упругости и трения, которые зависят или от расстояния между взаимодействующими телами, или от их относительных скоростей. Затем предлагают пронаблюдать опыт по взаимодействию параллельных токов. Это типичный пример электромагнитного взаимодействия. Ребята наблюдают взаимодействие проводников, но не могут объяснить причину возникновения силы притяжения или отталкивания, так как расстояние d между проводниками и относительная скорость электронов в проводниках не изменяются. Значит, возникли силы, которых в механике не было, это силы электромагнитного взаимодействия. В этом случае говорят, что вокруг каждого из проводников возникло магнитное поле. Магнитное поле одного проводника действует на другой проводник с током с некоторой силой. Правомерно говорить и наоборот: магнитное поле второго проводника действует на первый.
Затем излагают вопрос о передаче взаимодействий. Ньютоновская механика опирается на принцип дальнодействия (взаимодействия передаются мгновенно на сколь угодно большие расстояния). По существу, учащиеся это знают, но данную сторону вопроса теперь следует подчеркнуть и оттенить. Отличительная особенность электродинамики — необходимость трактовки электромагнитных явлений с позиций другой концепции (концепции близкодействия), согласно которой взаимодействия между зарядами (токами, магнитами) передаются с конечной скоростью.
Далее школьникам сообщают, что конечность скорости передачи взаимодействий приводит к тому, что если заряд из точки А переместится в некоторую точку А», то изменение силы, действующей на заряд в точке В, произойдет не мгновенно, а спустя некоторое время. Поскольку взаимодействие между электрическими зарядами распространяется с конечной скоростью (и в среде, и в пустоте), то имеет место какой-то процесс, распространение которого происходит с конечной скоростью. Тогда должен быть и какой-то материальный объект, с которым этот процесс происходит, так как нельзя представить себе процесс, который бы осуществлялся при отсутствии чего бы то ни было реально существующего. Все это можно объяснить, только введя понятие об электромагнитном поле. Реальность электромагнитного поля подтверждается и иллюстрируется хорошо известными учащимся фактами: распространением электромагнитных волн (радиосвязь, телевидение). Эффектны примеры с радиолокацией Луны, с управлением луноходом и др.