Как осуществляются взаимодействия двух электрических зарядов

1.2. Взаимодействие электрических зарядов. Закон Кулона.

В 1785 г. Кулон экспериментально установил зависимость силы взаимодействия зарядов от их величины, знака и расстояния между ними.

Сила взаимодействия двух точечных зарядов, находящихся в вакууме, прямо пропорциональна произведению зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними, направлена вдоль прямой линии, соединяющей эти заряды (рис. 1.1)..

В СИ закон Кулона запишем в виде

, (1.2)

где _о = 8,8510  12  электрическая постоянная;  единичный вектор.

При решении задач удобно использовать величину

= 910 9 .

Согласно третьего закона Ньютона

Знак силы взаимодействия зарядов зависит от знака этих зарядов. Притяжению соответствует знак «  », разноименные заряды притягиваются, отталкиванию  « + », одноименные заряды отталкиваются (рис. 1.2, а, б).

По абсолютной величине закон Кулона

. (1.3)

Если заряды находятся в диэлектрической среде, то

, (1.4)

где   диэлектрическая проницаемость среды,

. (1.5)

В СИ заряд измеряют в кулонах (Кл).

На основании экспериментальных данных установлено, что закон Кулона справедлив для расстояний от 10  15 м до нескольких километров, а возможно и до бесконечности.

1.3. Электрическое поле

Взаимодействие между зарядами (согласно современным представлениям) осуществляется посредством электрического поля. Если заряды неподвижны, то поле называют электростатическим.

Любой электрический заряд q создает в окружающем его пространстве электрическое поле (изменяет свойства этого пространства). Электрическое поле проявляет себя в том, что помещенный в любую точку этого поля «пробный» заряд испытывает действие кулоновской силы со стороны этого поля. Основной количественной характеристикой электрического поля является вектор напряженности .

Напряженность электростатического поля  сила, действующая на единичный, положительный точечный неподвижный пробный заряд.

Замечание: пробный заряд q_o должен быть достаточно малым, чтобы его внесение в электрическое поле не вызывало заметного искажения его.

На основании опытов установлено, что напряженность электрического поля и кулоновская сила, действующая на внесенный в это поле пробный заряд, связаны соотношением

, (1.6)

где  вектор напряженности электростатического поля в данной точке.

Напряженность поля неподвижного точечного заряда q в вакууме на расстоянии r от него

(1.7)

, (1.8)

где r  расстояние от заряда q, создающего электрическое поле, до точки пространства, в которой определяется напряженность этого поля (рис. 1.3).

Если заряд находится в безграничной среде с диэлектрической проницаемостью , то

. (1.9)

В электрическом поле, создаваемом неподвижным точечным зарядом, сила, действующая на внесенный пробный заряд, не зависит от того, покоится пробный заряд или движется. Это относится и к системе неподвижных зарядов.

Напряженность в СИ измеряется в вольтах на метр (В/м).

Если мы имеем систему точечных неподвижных зарядов, то можно определить напряженность результирующего электрического поля в произвольной точке этого поля (принцип суперпозиции).

Вектор напряженности поля системы точечных неподвижных зарядов равен векторной сумме напряженности полей, созданной каждым из зарядов в отдельности, т. е.

(1.10)

или , (1.11)

где _i  вектор напряженность поля, созданного i м точечным зарядом на расстоянии r_i от него.

1. Электризация тел и электрический заряд. Два рода зарядов. Взаимодействие заряженных тел

При соприкосновении незаряженного тела с заряженным предметом тело получает такой же заряд, какой был у заряженного предмета. В данном случае заряженным предметом является металлическая конструкция, а телом, которое получает от неё заряд, — человек.

При механическом взаимодействии двух электрически нейтральных тел в процессе трения заряды переходят от одного тела к другому.

То тело, на которое перетекают электроны, заряжается отрицательно; тело, с которого утекли эти электроны, заряжается положительно. Суммарный заряд обоих тел сохраняется.

В \(1729\) году Шарль Дюфе назвал заряд, образованный при трении стекла о шёлк, «стеклянным» (положительным); при трении смолы о шерсть — «смоляным» (отрицательным).

Обозначения электрических зарядов:
«\(+\)» — положительный заряд;
«\(-\)» — отрицательный заряд.

Тела, имеющие электрические заряды одинакового знака, взаимно отталкиваются .
Тела, имеющие электрические заряды противоположного знака, взаимно притягиваются .

Взаимодействие зарядов

Самое простое и повседневное явление, в котором обнаруживается факт существования в природе электрических зарядов, — это электризация тел при соприкосновении [4] . Способность электрических зарядов как к взаимному притяжению, так и к взаимному отталкиванию объясняется предположением о существовании двух различных видов зарядов. Один вид электрического заряда называют положительным, а другой — отрицательным. Разноимённо заряженные тела притягиваются, а одноимённо заряженные — отталкиваются друг от друга.

При соприкосновении двух электрически нейтральных тел в результате трения заряды переходят от одного тела к другому. В каждом из них нарушается равенство суммы положительных и отрицательных зарядов, и тела заряжаются разноимённо.

При электризации тела через влияние в нём нарушается равномерное распределение зарядов. Они перераспределяются так, что в одной части тела возникает избыток положительных зарядов, а в другой — отрицательных. Если две эти части разъединить, то они будут заряжены разноимённо.

Закон сохранения электрического заряда

Закон сохранения заряда

Электрический заряд замкнутой системы [5] сохраняется во времени и квантуется — изменяется порциями, кратными элементарному электрическому заряду, то есть, другими словами, алгебраическая сумма электрических зарядов тел или частиц, образующих электрически изолированную систему, не изменяется при любых процессах, происходящих в этой системе.

В рассматриваемой системе могут образовываться новые электрически заряженные частицы, например, электроны — вследствие явления ионизации атомов или молекул, ионы — за счёт явления электролитической диссоциации и др. Однако, если система электрически изолированна, то алгебраическая сумма зарядов всех частиц, в том числе и вновь появившихся в такой системе, всегда равна нулю.

Закон сохранения заряда — один из основополагающих законов физики. Закон сохранения заряда был экспериментально подтверждён в 1843 году великим английским ученым Майклом Фарадееми считается на настоящее время одним из фундаментальных законов сохранения в физике (подобно законам сохранения импульса и энергии).

В зависимости от концентрации свободных зарядов тела делятся на проводники, диэлектрики и полупроводники.

• Проводники — это тела, в которых электрический заряд может перемещаться по всему его объему. Проводники делятся на две группы: 1) проводники первого рода (металлы), в которых перенос зарядов (свободных электронов) не сопровождается химическими превращениями; 2) проводники второго рода (например, расплавленные соли, растворы кислот), в которых перенос зарядов (положительных и отрицательных ионов) ведёт к химическим изменениям.
• Диэлектрики (например стекло, пластмасса) — тела, в которых практически отсутствуют свободные заряды.

Полупроводники (например, германий, кремний) занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками.

Закон всемирного тяготения. Сила тяжести. Вес тела. Невесомость. Исаак Ньютон выдвинул предположение, что между любыми телами в природе существуют силы взаимного притяжения. Эти силы называют силами гравитации, или силами всемирного тяготения. Сила всемирного тяготения проявляется в Космосе, Солнечной системе и на Земле. Ньютон обобщил законы движения небесных тел и выяснил, что сила F равна: массы взаимодействующих тел, R — расстояние между ними, G — коэффициент пропорциональности, который называется гравитационной постоянной. Численное значение гравитационной постоянной опытным путем определил Кавендиш, измеряя силу взаимодействия между свинцовыми шарами. В результате закон всемирного тяготения звучит так: между любыми материальными точками существует сила взаимного притяжения, прямо пропорциональная произведению их масс и обратно пропорциональная квадрату расстояния между ними, действующая по линии, соединяющей эти точки. Физический смысл гравитационной постоянной вытекает из закона всемирного тяготения. Если m1 = m2 = 1 кг, R = 1 м, то G = F, т. е. гравитационная постоянная равна силе, с которой притягиваются два тела по 1 кг на расстоянии 1 м. Численное значение: Силы всемирного тяготения действуют между любыми телами в природе, но ощутимыми они становятся при больших массах (или если хотя бы масса одного из тел велика). Закон же всемирного тяготения выполняется только для материальных точек и шаров (в этом случае за расстояние принимается расстояние между центрами шаров). Частным видом силы всемирного тяготения является сила притяжения тел к Земле (или к другой планете). Эту силу называют силой тяжести. Под действием этой силы все тела приобретают ускорение свободного падения. В соответствии со вторым законом Ньютона g = Ft*m следовательно, Ft = mg. Сила тяжести всегда направлена к центру Земли. В зависимости от высоты h над поверхностью Земли и географической широты положения тела ускорение свободного падения приобретает различные значения. На поверхности Земли и в средних широтах ускорение свободного падения равно 9,831 м/с2. В технике и быту широко используется понятие веса тела. Весом тела называют силу, с которой тело давит на опору или подвес в результате гравитационного притяжения к планете (рис. 6). Вес тела обозначается Р. Единица веса — Н. Так как вес равен силе, с которой тело действует на опору, то в соответствии с третьим законом Ньютона по величине вес тела равен силе реакции опоры. Поэтому, чтобы найти вес тела, необходимо определить, чему равна сила реакции опоры. Рассмотрим случай, когда тело вместе с опорой не движется. В этом случае сила реакции опоры, а следовательно, и вес тела равен силе тяжести (рис. 7): Р = N = mg. В случае движения тела вертикально вверх вместе с опорой с ускорением по второму закону Ньютона можно записать mg + N = та В проекции на ось OX: -mg + N = та, отсюда N = m(g + a). Следовательно, при движении вертикально вверх с ускорением вес тела увеличивается и находится по формуле Р = m(g + a). Увеличение веса тела, вызванное ускоренным движением опоры или подвеса, называют перегрузкой. Действие перегрузки испытывают на себе космонавты как при взлете космической ракеты, так и при торможении корабля при входе в плотные слои атмосферы. Испытывают перегрузки и летчики при выполнении фигур высшего пилотажа, и водители автомобилей при резком торможении. Если тело движется вниз по вертикали, то с помощью аналогичных рассуждений получаем т. е. вес при движении по вертикали с ускорением будет-меньше силы тяжести Если тело свободно падает, то в этом случае P = (g- g)m = 0. Состояние тела, в котором его вес равен нулю, называют невесомостью. Состояние невесомости наблюдается в самолете или космическом корабле при движении с ускорением свободного падения независимо от направления и значения скорости их движения. За пределами земной атмосферы при выключении реактивных двигателей на космический корабль действует только сила всемирного тяготения. Под действием этой силы космический корабль и все тела, находящиеся в нем, движутся с одинаковым ускорением, поэтому в корабле наблюдается состояние невесомости.

Работа в термодинамике. Внутренняя энергия. Первый закон термодинамики. Применение первого закона к изопроцессам. Адиабатный процесс. Каждое тело имеет вполне определенную структуру, оно состоит из частиц, которые хаотически движутся и взаимодействуют друг с другом, поэтому любое тело обладает внутренней энергией. Внутренняя энергия — это величина, характеризующая собственное состояние тела, т. е. энергия хаотического (теплового) движения микрочастиц системы (молекул, атомов, электронов, ядер и т. д.) и энергия взаимодействия этих частиц. Внутренняя энергия одноатомного идеального газа определяется по формуле U = 3/2 • т/М • RT. Внутренняя энергия тела может изменяться только в результате его взаимодействия с другими телами. Существует два способа изменения внутренней энергии: теплопередача и совершение механической работы (например, нагревание при трении или при сжатии, охлаждение при расширении). Теплопередача — это изменение внутренней энергии без совершения работы: энергия передается от более нагретых тел к менее нагретым. Теплопередача бывает трех видов: теплопроводность (непосредственный обмен энергией между хаотически движущимися частицами взаимодействующих тел или частей одного и того же тела); конвекция (перенос энергии потоками жидкости или газа) и излучение (перенос энергии электромагнитными волнами). Мерой переданной энергии при теплопередаче является количество теплоты (Q). Эти способы количественно объединены в закон сохранения энергии, который для тепловых процессов читается так: изменение внутренней энергии замкнутой системы равно сумме количества теплоты, переданной системе, и работы внешних сил, совершенной над системой. , где — изменение внутренней энергии, Q — количество теплоты, переданное системе, А — работа внешних сил. Если система сама совершает работу, то ее условно обозначают А*. Тогда закон сохранения энергии для тепловых процессов, который называется первым законом термодинамики, можно записать так: , т.е. количество теплоты, переданное системе, идет на совершение системой работы и изменение ее внутренней энергии. При изобарном нагревании газ совершает работу над внешними силами , где V1 и V2 — начальный и конечный объемы газа. Если процесс не является изобарным, величина работы может быть определена площадью фигуры ABCD, заключенной между линией, выражающей зависимость p(V), и начальным и конечным объемами газа V Рассмотрим применение первого закона термодинамики к изопроцессам, происходящим с идеальным газом. В изотермическом процессе температура постоянная, следовательно, внутренняя энергия не меняется. Тогда уравнение первого закона термодинамики примет вид: , т. е. количество теплоты, переданное системе, идет на совершение работы при изотермическом расширении, именно поэтому температура не изменяется. В изобарном процессе газ расширяется и количество теплоты, переданное газу, идет на увеличение его внутренней энергии и на совершение им работы: . При изохорном процессе газ не меняет своего объема, следовательно, работа им не совершается, т. е. А = 0, и уравнение первого закона имеет вид , т. е. переданное количество теплоты идет на увеличение внутренней энергии газа. Адиабатным называют процесс, протекающий без теплообмена с окружающей средой. Q = 0, следовательно, газ при расширении совершает работу за счет уменьшения его внутренней энергии, следовательно, газ охлаждается, Кривая, изображающая адиабатный процесс, называется адиабатой.

Слово «атом» в переводе с греческого означает «неделимый». Под атомом долгое время, вплоть до начала XX в., подразумевали мельчайшие неделимые частицы вещества. К началу XX в. в науке накопилось много фактов, говоривших о сложном строении атомов.

Большие успехи в исследовании строения атомов были достигнуты в опытах английского ученого Эрнеста Резерфорда по рассеянию -частиц при прохождении через тонкие слои вещества. В этих опытах узкий пучок -частиц, испускаемых радиоактивным веществом, направлялся на тонкую золотую фольгу. За фольгой помещался экран, способный светиться под ударами быстрых частиц. Было обнаружено, что большинство -частиц отклоняется от прямолинейного распространения после прохождения фольги, т. е. рассеивается, а некоторые -частицы вообще отбрасываются назад. Рассеяние -частиц Резерфорд объяснил тем, чтоположительный заряд не распределен равномерно в шаре радиусом 10 -10 м, как предполагали ранее, а сосредоточен в центральной части атома — атомном ядре. При прохождении около ядра -частица, имеющая положительный заряд, отталкивается от него, а при попадании в ядро — отбрасывается в противоположном направлении. Так ведут себя частицы, имеющие одинаковый заряд, следовательно, существует центральная положительно зараженная часть атома, в которой сосредоточена значительная масса атома. Расчеты показали, что для объяснения опытов нужно принять радиус атомного ядра равным примерно 10 -15 м.

Резерфорд предположил, что атом устроен подобно планетарной системе. Суть модели строения атома по Резерфорду заключается в следующем: в центре атома находится положительно заряженное ядро, в котором сосредоточена вся масса, вокруг ядра по круговым орбитам на больших расстояниях вращаются электроны (как планеты вокруг Солнца). Заряд ядра совпадает с номером химического элемента в таблице Менделеева.

Вагинальная модель строения атома по Резерфорду не смогла объяснить ряд известных фактов: электрон, имеющий заряд> должен за счет кулоновских сил притяжения упасть на ядро, а атом — это устойчивая система; при движении по круговой орбите, приближаясь к ядру, электрон в атоме должен излучать электромагнитные волны всевозможных частот, т. е. излучаемый свет должен иметь непрерывный спектр, на практике же получается иное: электроны атомов излучают свет, имеющий линейчатый спектр. Разрешить противоречия планетарной ядерной модели строения атома первым попытался датский физик Нильс Бор.

В основу своей теории Бор положил два постулата. Первый постулат: атомная система может находиться только в особых стационарных или квантовых состояниях, каждому из которых соответствует своя энергия; в стационарном состоянии атом не излучает.

Это означает, что электрон (например, в атоме водорода) может находиться на нескольких вполне определенных орбитах. Каждой орбите электрона соответствует вполне определенная энергия.

Второй постулат: при переходе из одного стационарного состояния в другое испускается или погл-щается квант электромагнитного излучения. Энергия фотона равна разности энергий атома в двух состояниях: ; , где — постоянная Планка.

При переходе электрона с ближней орбиты на более удаленную атомная система поглощает квант энергии. При переходе с более удаленной орбиты электрона на ближнюю орбиту по отношению к ядру и томная система излучает квант энергии. Теория Бора позволила объяснить существование линейчатых спектров.

Взаимодействие зарядов. Закон Кулона.

Наличие у тела электрического заряда проявляется в том, что такое тело взаимодействует с другими заряженными телами. Тела, несущие заряды одинакового знака, отталкивают друг друга. Тела, заряженные разноименно, притягиваются друг к другу.

Сила взаимодействия так называемых точечных зарядов определяется законом Кулона (1785 г.).

Точечный заряд – заряженное тело, размерами которого можно пренебречь по сравнению с расстояниями от этого тела до других тел, несущих электрический заряд.

Результат измерений Кулона: сила взаимодействия двух точечных зарядов пропорциональна величине каждого из зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Направление силы совпадает с проходящей через заряды прямой. Аналитическое представление закона Кулона:

где k – коэффициент пропорциональности, q₁ и q₂ – величины взаимодействующих зарядов, r – расстояние между ними. В случае одноименных зарядов сила, вычисленная по формуле (1), оказывается положительной (что соответствует отталкиванию между зарядами). В случае разноименных зарядов сила отрицательна (что соответствует притяжению зарядов друг к другу). Закон Кулона в векторном виде:

Электрическое поле. Напряженность поля.

Взаимодействие между зарядами осуществляется через электрическое поле. Всякий заряд изменяет свойства окружающего его пространства – создает в нем электрическое поле.

Это поле проявляет себя в том, что помещенный в какую-либо его точку электрический заряд оказывается под действием силы. Следовательно, для того чтобы выяснить, имеется ли в данном месте электрическое поле, нужно поместить туда заряженное тело (т.н. пробный заряд) и установить, испытывает ли оно действие электрической силы. По величине силы, действующей на пробный заряд, можно судить о величине поля.

Чтобы сила, действующая на пробный заряд, характеризовала поле «в данной точке», пробный заряд должен быть точечным. В противном случае сила, действующая на заряд, будет характеризовать свойства поля, усредненные по объему, занимаемому телом.

Сила, действующая на пробный заряд, зависит не только от величин, определяющих поле (от q и r), но и от величины пробного заряда q_пp.

Однако, отношение f / q_пp для всех пробных зарядов будет одно и то же и зависит лишь от величин q и r, определяющих поле в данной точке. Это отношение однозначно характеризует электрическое поле:

E = f / q_пp (4)

Векторную величину E называют напряженностью электрического поля в в той точке, в которой пробный заряд испытывает действие силы f. Таким образом, напряженность электрического поля численно равна силе, действующей на единичный точечный заряд, находящийся в данной точке поля. Вектора Е и f параллельны при условии положительного заряда q_пp.

Это определение распространяется и на случай поля, создаваемого любой совокупностью неподвижных зарядов. Изменение взаимного расположения зарядов – источников поля под воздействием пробного заряда может произойти когда они расположены на проводнике и могут свободно перемещаться в его пределах.

Таким образом, напряженность поля точечного заряда пропорциональна величине заряда q и обратно пропорциональна квадрату расстояния r от заряда до данной точки поля:

Единица напряженности электрического поля – напряженность в такой точке, в которой на заряд, равный 1 Кл действует сила, величина которой 1Н. Эта единица напряженности электрического поля называется вольт на метр и обозначается в/м.

Сила, действующая на пробный заряд, равна f = q_пp E.

Очевидно, что на всякий точечный заряд Q в точке поля с напряженностью Е будет действовать сила

F = Q E. (6)

Если заряд Q положителен, направление силы совпадает с направлением вектора Е. В случае отрицательного Q направления векторов F и Е противоположны.