Электрический заряд. Закон его сохранения

Электрический заряд. Закон его сохранения

Электрический заряд. Закон его сохранения

В соответствии с современными представлениями атомы всех тел построены из электрически заряженных частиц. Относительно легких электронов и довольно тяжелых положительно заряженных атомных ядер. В целом тела электрически нейтральны, так как суммарный отрицательный заряд электронов равен суммарному положительному заряду атомных ядер данного тела.

Отрицательный заряд электрона равен (так как к этой величине прибегают довольно часто, то заряд электрона часто имеет свое обозначение $q_e$ или $e$) $e=1,6\cdot {10}{-16}Кл$ (в системе СИ) или $e=4,8\cdot {10}{-10}$ абсолютных электростатических единиц электричества (в СГСЭ).

Положительные заряды атомных ядер равны по модулю целым, кратным элементарному заряду (так еще называют заряд электрона), то есть заряд ядра: $q=ne$, где $n$- целое число. Масса электрона равна $m_e=9.1\cdot {10}{-31}кг$. Самым лёгким ядром является ядро атома водорода, которое именуется протоном. Его масса равна $m_p=1.67\cdot {10}{-27}кг$.

Размеры атомных ядер, электронов малы по сравнению с расстояниями между ними в атомах и молекулах, что позволяет во многих случаях считать их материальными точками, которые имеют массу и электрический заряд.

Ничего непонятно?

Попробуй обратиться за помощью к преподавателям

Мысль о дискретности электрического заряда была высказана уже Б. Франклином в 1752 г. Экспериментом она подтверждена Фарадеем, при исследовании законов электролиза. Однако окончательный вывод о дискретности электрического заряда был сделан Г.Л. Гельмгольцем и Д. Стонеем в 1881 г.

Количественное значение элементарного заряда было вычислено на основании законов электролиза. Прямое экспериментальное измерение элементарного заряда было сделано Р.Э. Милликеном в 1909 г. Были предприняты поиски дробных зарядов, но они дали отрицательный результат.

Сделаем вывод, на сегодняшний момент установлено, что дробных зарядов в свободном состоянии не существует.

Независимость количественного значения элементарного заряда от скорости доказывается фактом нейтральности атомов. Электроны в атоме движутся значительно быстрее протонов (это следствие различая масс). В том случае, если бы заряд зависел от скорости, то нейтральность атомов нарушалась. Инвариантность заряда относительно скорости — одно из экспериментальных обоснований теории электричества.

В большинстве макроскопических явлений участвует очень большое количество электрических зарядов, в таком случае их дискретность значения не имеет, и в большинстве случаев можно считать, что заряд как бы непрерывно распределён в пространстве.

Объемная плотность распределения

Объемной плотностью распределения зарядов называют отношение:

где $\triangle Q$- полный заряд, находящийся в объеме $\triangle V$, $e_i$ — элементарный заряд, $\triangle V$ — малый объем, но не бесконечно малый в математическом смысле, он характеризуется координатой точки внутри него. Это значит, что можно записать: $\rho =\rho \left(x,y,z\right).$ При определении объемной плотности $\rho $ можно рассматривать как функцию, а заряд считать непрерывно распределенным, тогда можно записать, что:

где $dV$- дифференциал объема.

Концентрацией зарядов (n) называют отношение:

где ∆n — количество зарядов в объеме $\triangle V$.

Поверхностной плотностью заряда ($\sigma$) называется соотношение:

где $\triangle S$- малая площадь поверхности, $\triangle Q$ — заряд, находящийся на поверхности $\triangle S$. Полный заряд поверхности, при условии равномерного распределения заряда по ней, можно найти как:

где $dS$ — дифференциал площади поверхности.

Закон сохранения заряда

Закон сохранения заряда приведем в двух формах. Одна из них следующая. Она исходит из двух фактов:

  1. Электрон и протон — материальные частицы с бесконечным временем жизни, их заряды инвариантны и не зависят от скорости. В такой трактовке, закон сохранение — следствие неуничтожимой носителей заряда.
  2. Кроме протонов и электронов существуют другие заряженные элементарные частицы. Все они рождаются, порождают другие частицы, участвуют в процессах взаимных превращений, но какими бы ни были превращения, суммарный заряд частиц до равен суммарному заряду после взаимопревращений.

Таким образом, закон сохранения заряда может быть сформулирован следующим образом:

Заряд сохраняется при всех процессах и движениях носителей зарядов.

Здесь надо отметить, что имея некоторую самостоятельность, заряд не может существовать отдельно от его носителя — материи.

Закон сохранения заряда можно записать в интегральной форме. Изменение заряда в некотором объеме V может произойти только в результате втекания или вытекания заряда через замкнутую поверхность $S$, которая ограничивает объем $V$. Или в математическом виде:

где сила тока, протекающая через замкнутую поверхность S равна интегралу по этой поверхности:

где $\overrightarrow{j}\cdot d\overrightarrow{S}=jdScos(\widehat{\overrightarrow{j}\cdot d\overrightarrow{S}})$, j — плотность тока $\overrightarrow{j}=\frac{1}{\triangle V}\sum\limits_{\triangle V}{e_i{\overrightarrow{v}}_i}$, ${\overrightarrow{v}}_i$ — скорость элементарного заряда, $d\overrightarrow{S}$ направлен по внешней нормали к поверхности.

$\frac{\partial }{\partial t}\intolimits_V{\rho dV}$- скорость изменения заряда в объеме. Знак минус в формуле (6) указывает на то, что если положительный заряд внутри объема уменьшатся, то плотность тока направлена из объема $V$.

Дифференциальная форма закона сохранения заряда (оно же уравнение непрерывности) имеет вид:

Напомним, что $div\overrightarrow{j}=\frac{\partial j_x}{\partial x}+\frac{\partial j_y}{\partial y}+\frac{\partial j_z}{\partial z}$.

Пример 1

Схема опытов Милликена изображена на рис. 1. Маленькие заряженные шарообразные частицы (капельки масла) движутся в воздухе при наличии однородного электрического поля $\overrightarrow{E}.

$ На частицу действуют следующие силы: силы тяжести ($\ \ {\rho }_{ch}>{\rho }_{vozd},\ плотность\ частицы\ \left(\ {\rho }_{ch}\right),\ плотность\ воздуха\ ({\rho }_{vozd})$), сила вязкого трения, электростатическая сила, сила Архимеда.

Сила вязкого трения пропорциональна скорости, следовательно, при постоянной скорости частицы сумма действующих на частицу сил равна нулю. Все силы, помимо электрической измерялись экспериментально при движении частицы в отсутствии электрического поля.

Исследовав движение частицы в поле, Милликен нашел силу $q\overrightarrow{E}.$ Это позволило вычислить заряд частицы, так как напряженность поля известна. Изменяя напряженность поля можно добиться, чтобы заряженная частица находилась в покое.

Задание: В электростатическое поле впрыскивают заряженную каплю масла (плотность масла считать известной, равной ${\rho }_{ch}$) радиуса R. Напряжённость поля (E) подбирают такой, чтобы капля масла оставалась неподвижной. Капля находится в воздухе, плотность воздуха ${\rho }_{vozd}$. Определите заряд капли.

Решение:

Рис. 1

Если скорость частицы равна нулю, то сила вязкого трения также равна нулю.

Запишем второй закон Ньютона для заряженной капельки масла, если мы знаем, что частица неподвижна:

\[m\overrightarrow{g}+\overrightarrow{F_A}+\overrightarrow{F_E}=0\left(1.1\right).\]

Направим ось ОX вдоль поля, запишем проекцию уравнения (1.1) на эту ось:

\[F_A+F_E-mg=0\ \left(1.2\right),\]

где $F_A$ сила Архимеда, которая равна:

\[F_A=с_{vozd}Vg=с_{vozd}\frac{4}{3}\pi R3g\ \left(1.3\right),\]

$R$ — радиус капли масла.

$F_E$ — электростатическая сила, действующая на заряженную каплю со стороны поля:

\[F_E=qE\ \left(1.4\right),\]

где $q$ — заряд капли масла, $E$ — напряженность электростатического поля.

$mg$- сила тяжести, действующая на каплю, ее можно выразить через плотность масла:

\[mg=с_{ch}\frac{4}{3} \pi R3g\ \left(1.5\right).\]

Подставим выражения (1.3) — (1.5) в уравнение (1.2), получим:

\[{\rho }_{vozd}\frac{4}{3}\pi R3g\ +qE-{\rho }_{ch}g\frac{4}{3}\pi R3=0\ \left(1.6\right).\]

Выразим из (1.6) заряд капли:

\[q=\frac{{\rho }_{ch}g\frac{4}{3}\pi R3-{\rho }_{vozd}\frac{4}{3}\pi R3g}{E}=\frac{\frac{4}{3}{\pi R3(\rho }_{ch}-{\rho }_{vozd})g}{E}\]

Ответ: Заряд капли масла должен быть $q=\frac{\frac{4}{3}{\pi R3(\rho }_{ch}-{\rho }_{vozd})g}{E}$.

Пример 2

Задание: Два одинаковых металлических шарика имею заряды $q_1$ и $q_2$ одинаковые по знаку. Их соединили, а за тем развели. Чему будут равны заряды каждого из шариков после разъединения.

Решение:

Основа для решения — закон сохранения заряда, запишем его для нашего случая:

\[q_1+q_2={q'}_1+{q'}_2\ \left(2.1\right).\]

Так как шарики одинаковые можем записать, что суммарный заряд шариков $q_1+q_2$ разделится поровну между ними, то есть:

\[{q'}_1=\frac{q_1+q_2}{2},\ {q'}_2=\frac{q_1+q_2}{2}.\]

Ответ: Заряд каждого шарика станет равен q=$\frac{q_1+q_2}{2}$.

Источник: https://spravochnick.ru/fizika/elektrostatika/elektricheskiy_zaryad_zakon_ego_sohraneniya/

Закон сохранения электрического заряда

Электрический заряд. Закон его сохранения

Приэлектризации тел выполняется законсохранения электрического заряда.Этот закон справедлив для замкнутойсистемы. Взамкнутой системе алгебраическая суммазарядов всех частиц остается неизменной.Если заряды частиц обозначить черезq1,q2и т.д., то

q1+ q2+ q3+… + qn= const.

Основной закон электростатики – закон кулона

Если расстояниемежду телами во много раз больше ихразмеров, то ни форма, ни размерызаряженных тел существенно не влияютна взаимодействия между ними. В такомслучае эти тела можно рассматриватькак точечные.

Силавзаимодействия заряженных тел зависитот свойств среды между заряженнымителами.

Силавзаимодействия двух точечных неподвижныхзаряженных тел в вакууме прямопропорциональна произведению модулейзаряда и обратно пропорциональнаквадрату расстояния между ними. Этусилу называют кулоновской.

,где

|q1|и |q2|- модули зарядов тел,

r– расстояние между ними,

k– коэффициент пропорциональности.

Fсилавзаимодействия

Силывзаимодействия двух неподвижных точечныхзаряженных тел направлены вдоль прямой,соединяющей эти тела.

Единица электрического заряда

Единицасилы тока – ампер.

Одинкулон (1Кл)– это заряд, проходящий за 1 с черезпоперечное сечение проводника при силетока 1 А

g[Кулон=Кл]

е=1,610-19Кл

-электрическаяпостоянная

БЛИЗКОДЕЙСТВИЕ ИДЕЙСТВИЕ НА РАССТОЯНИИ

Предположениео том, что взаимодействие между удаленнымидруг от друга телами всегда осуществляетсяс помощью промежуточных звеньев (илисреды), передающих взаимодействие отточки к точке, составляет сущностьтеории близкодействия.Распр.с конечной скоростью.

Теорияпрямого действияна расстоянии непосредственно черезпустоту. Согласно этой теории действиепередается мгновенно на сколь угоднобольшие расстояния.

Обетеории являются взаимно противоположнымидруг другу. Согласно теориидействия на расстоянии однотело действует на другое непосредственночерез пустоту и это действие передаетсямгновенно.

Теорияблизкодействия утверждает,что любое взаимодействие осуществляетсяс помощью промежуточных агентов ираспространяется с конечной скоростью.

Существованияопределенного процесса в пространствемежду взаимодействующими телами, которыйдлится конечное время, — вот главное,что отличает теорию близкодействияот теории действия на расстоянии.

Согласноидее Фарадея электрическиезаряды не действуют друг на друганепосредственно. Каждыйиз них создает в окружающем пространствеэлектрическое поле. Поле одного зарядадействует на другой заряд, и наоборот.По мере удаления от заряда поле ослабевает.

Электромагнитныевзаимодействия должны распространятсяв пространстве с конечной скоростью.

Электрическоеполе существует реально, его свойстваможно исследовать опытным путем, но мыне можем сказать из чего это поле состоит.

Оприроде электрического поля можносказать, что поле материально; оно сущ.независимо от нас, от наших знаний онем;

Полеобладает определенными свойствами,которые не позволяют спутать его счем-либо другим в окружающем мире;

Главноесвойство электрического поля – действиеего на электрические заряды с некоторойсилой;

Электрическоеполе неподвижных зарядов называютэлектростатическим.Оно не меняется со временем.Электростатическое поле создаетсятолько электрическими зарядами. Оносуществует в пространстве, окружающемэти заряды, и неразрывно с ним связано.

Напряженностьэлектрического поля.

Отношение силы, действующейна помещенный в данную точку поля заряд,к этому заряду для каждой точки поля независит от заряда и может рассматриватьсякак характеристика поля.

Напряженностьполя равна отношению силы, с которойполе действует на точечный заряд, кэтому заряду.

Напряженность поляточечного заряда.

.

Модульнапряженности поля точечного зарядаqoна расстоянииrот него равен:

.

Еслив данной точке пространства различныезаряженные частицы создают электрическиеполя, напряженности которых ит. д., то результирующая напряженностьполя в этой точке равна:

СИЛОВЫЕ ЛИНИИЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛ.

НАПРЯЖЕННОСТЬПОЛЯ ЗАРЯЖЕННОГО ШАРА

Электрическоеполе, напряженность которого одинаковаво всех точках пространства, называетсяоднородным.

Густотасиловых линий больше вблизи заряженныхтел, где напряженность поля также больше.

-напряженностьполя точечного заряда.

Внутрипроводящего шара (r> R)напряженность поля равна нулю.

ПРОВОДНИКИ ВЭЛЕКТРИЧЕСКОМ ПОЛЕ.

Впроводниках имеются заряженные частицы,способные перемещаться внутри проводникапод влиянием электрического поля. Зарядыэтих частиц называют свободнымизарядами.

Электростатическогополя внутри проводника нет. Весьстатический заряд проводника сосредоточенна его поверхности. Заряды в проводникемогут располагаться только на егоповерхности.

Источник: https://studfile.net/preview/830910/page:3/

Закон сохранения электрических зарядов

Электрический заряд. Закон его сохранения

Многие физические явления, наблюдаемые в природе и окружающей нас жизни, не могут быть объяснены только на основе законов механики, молекулярно-кинетической теории и термодинамики.

В этих явлениях проявляются силы, действующие между телами на расстоянии, причем эти силы не зависят от масс взаимодействующих тел и, следовательно, не являются гравитационными.

Эти силы называют электромагнитными силами.

Закон сохранения электрического заряда

В обычных условиях микроскопические тела являются электрически нейтральными, потому что положительно и отрицательно заряженные частицы, которые образуют атомы, связаны друг с другом электрическими силами и образуют нейтральные системы. Если электрическая нейтральность тела нарушена, то такое тело называется наэлектризованное тело. Для электризации тела необходимо, чтобы на нём был создан избыток или недостаток электронов или ионов одного знака.

Способы электризации тел, которые представляют собой взаимодействие заряженных тел, могут быть следующими:

  1. Электризация тел при соприкосновении. В этом случае при тесном контакте небольшая часть электронов переходит с одного вещества, у которого связь с электроном относительно слаба, на другое вещество.
  2. Электризация тел при трении. При этом увеличивается площадь соприкосновения тел, что приводит к усилению электризации.
  3. Влияние. В основе влияния лежит явление электростатической индукции, то есть наведение электрического заряда в веществе, помещённом в постоянное электрическое поле.
  4. Электризация тел под действием света. В основе этого лежит фотоэлектрический эффект, или фотоэффект, когда под действием света из проводника могут вылетать электроны в окружающее пространство, в результате чего проводник заряжается.

Многочисленные опыты показывают, что когда имеет место электризация тела, то на телах возникают электрические заряды, равные по модулю и противоположные по знаку.

Отрицательный заряд тела обусловлен избытком электронов на теле по сравнению с протонами, а положительный заряд обусловлен недостатком электронов.

Когда происходит электризация тела, то есть когда отрицательный заряд частично отделяется от связанного с ним положительного заряда, выполняется закон сохранения электрического заряда. Закон сохранения заряда справедлив для замкнутой системы, в которую не входят извне и из которой не выходят наружу заряженные частицы.

Закон сохранения электрического заряда формулируется следующим образом:

В замкнутой системе алгебраическая сумма зарядов всех частиц остаётся неизменной:

q1 + q2 + q3 + … + qn = const

где
q1, q2 и т.д. – заряды частиц.

Определения

Элементарные частицы могут иметь эл. заряд, тогда они называются заряженными;

Элементарные частицы — взаимодействуют друг с другом с силами, которые зависят от расстояния между частицами, но превышают во много раз силы взаимного тяготения (это взаимодействие называется электромагнитным).

Электрический заряд — физическая величина, определяет интенсивность электромагнитных взаимодействий.

Существует 2 знака эл.зарядов:

  • положительный
  • отрицательный

Частицы с одноименными зарядами отталкиваются, с разноименными — притягиваются. Протон имеет положительный заряд, электрон — отрицательный, нейтрон — электрически нейтрален.

Элементарный заряд — минимальный заряд, разделить который невозможно.

Чем объяснить наличие электромагнитных сил в природе? — в состав всех тел входят заряженные частицы.

В обычном состоянии тела электрически нейтральны (т.к. атом нейтрален), и электромагнитные силы не проявляются.

Тело заряжено, если имеет избыток зарядов какого-либо знака:

  • отрицательно заряжено — если избыток электронов;
  • положительно заряжено — если недостаток электронов.

Электризация тел — это один из способов получения заряженных тел, например, соприкосновением).

При этом оба тела заряжаются , причем заряды противоположны по знаку, но равны по модулю.

Взаимодействие электрически заряженных тел

Взаимодействие тел, имеющих заряды одинакового или разного знака, можно продемонстрировать на следующих опытах. Наэлектризуем эбонитовую палочку трением о мех и прикоснёмся ею к металлической гильзе, подвешенной на шёлковой нити.

На гильзе и эбонитовой палочке распределяются заряды одного знака (отрицательные заряды). Приближая заряженную отрицательно эбонитовую палочку к заряженной гильзе, можно увидеть, что гильза будет отталкиваться от палочки (рис. 1.1).

Если теперь поднести к заряженной гильзе стеклянную палочку, потёртую о шёлк (положительно заряженную), то гильза будет к ней притягиваться (рис. 1.2).

Закон сохранения электрического заряда на практике

Возьмём два одинаковых электрометра и один из них зарядим (рис. 2.1). Его заряд соответствует 6 делениям шкалы.

Если соединить эти электрометры стеклянной палочкой, то никаких изменений не произойдёт. Это подтверждает тот факт, что стекло является диэлектриком. Если же для соединения электрометров использовать металлический стержень А (рис. 2.

2), держа его за не проводящую электричество ручку В, то можно заметить, что первоначальный заряд разделится на две равные части: половина заряда перейдёт с первого шара на второй. Теперь заряд каждого электрометра соответствует 3 делениям шкалы.

Таким образом, первоначальный заряд не изменился, он только разделился на две части.

Если заряд передать от заряженного тела к незаряженному телу такого же размера, то заряд разделится пополам между двумя этими телами. Но если второе, незаряженное тело, будет больше, чем первое, то на второе перейдёт больше половины заряда. Чем больше тело, которому передают заряд, тем большая часть заряда на него перейдёт.

Но общая сумма заряда при этом не изменится. Таким образом, можно утверждать, что заряд сохраняется. Т.е. выполняется закон сохранения электрического заряда.

Электрические заряды не существуют сами по себе, а являются внутренними свойствами элементарных частиц – электронов, протонов и др.

       Опытным путем в 1914 г. американский физик Р. Милликен показал что электрический заряд дискретен. Заряд любого тела составляет целое кратное от элементарного электрического заряда e = 1.6 × 10-19 Кл.

В реакции образования электронно-позитронной пары действует закон сохранения заряда.

qэлектрона + qпозитрона = 0.

Позитрон — элементарная частица, имеющая массу, приблизительно равную массе электрона; заряд позитрона положительный и равен заряду электрона.

На основании закона сохранения электрического заряда объясняется электризация макроскопических тел.

Как известно, все тела состоят из атомов, в состав которых входят электроны и протоны. Количество электронов и протонов в составе незаряженного тела одинаковое.

Поэтому такое тело не проявляет электрического действия на другие тела. Если же два тела находятся в тесном контакте (при натирании, сжатии, ударе и т.п.

), то электроны, связанные с атомами значительно слабее, чем протоны, переходят с одного тела на другое.

Тело, на которое перешли электроны, будет иметь их избыток. Согласно закону сохранения электрический заряд этого тела будет равняться алгебраической сумме положительных зарядов всех протонов и зарядов всех электронов. Этот его заряд будет отрицательным и по значению равным сумме зарядов избыточных электронов.

У тела с излишком электронов отрицательный заряд.

Тело, утратившее электроны, будет иметь положительный заряд, модуль которого бу­дет равен сумме зарядов электронов, поте­рянных телом.

У тела, имеющего положитель­ный заряд, электронов мень­ше, чем протонов.

Электрический заряд не изме­няется при переходе тела в другую систему отсчета.

Законы сохраненияФормулы Физика Теория 8 класс Закон Динамика Механика

Источник: https://calcsbox.com/post/zakon-sohranenia-elektriceskih-zaradov.html

1.1. Электрический заряд. Закон Кулона

Электрический заряд. Закон его сохранения


Многие физические явления, наблюдаемые в природе и окружающей нас жизни, не могут быть объяснены только на основе законов механики, молекулярно-кинетической теории и термодинамики.

В этих явлениях проявляются силы, действующие между телами на расстоянии, причем эти силы не зависят от масс взаимодействующих тел и, следовательно, не являются гравитационными.

Эти силы называют электромагнитными силами.

О существовании электромагнитных сил знали еще древние греки.

Но систематическое, количественное изучение физических явлений, в которых проявляется электромагнитное взаимодействие тел, началось только в конце XVIII века.

Трудами многих ученых в XIX веке завершилось создание стройной науки, изучающей электрические и магнитные явления. Эта наука, которая является одним из важнейших разделов физики, получила название электродинамики.

Основными объектами изучения в электродинамике являются электрические и магнитные поля, создаваемые электрическими зарядами и токами.

Электрическое поле

Подобно понятию гравитационной массы тела в механике Ньютона, понятие заряда в электродинамике является первичным, основным понятием.

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

Электрический заряд обычно обозначается буквами q или Q.

Совокупность всех известных экспериментальных фактов позволяет сделать следующие выводы:

  • Существует два рода электрических зарядов, условно названных положительными и отрицательными.
  • Заряды могут передаваться (например, при непосредственном контакте) от одного тела к другому. В отличие от массы тела электрический заряд не является неотъемлемой характеристикой данного тела. Одно и то же тело в разных условиях может иметь разный заряд.
  • Одноименные заряды отталкиваются, разноименные – притягиваются. В этом также проявляется принципиальное отличие электромагнитных сил от гравитационных. Гравитационные силы всегда являются силами притяжения.

Одним из фундаментальных законов природы является экспериментально установленный закон сохранения электрического заряда.

В изолированной системе алгебраическая сумма зарядов всех тел остается постоянной:

q1 + q2 + q3 + … +qn = const.

Закон сохранения электрического заряда утверждает, что в замкнутой системе тел не могут наблюдаться процессы рождения или исчезновения зарядов только одного знака.

С современной точки зрения, носителями зарядов являются элементарные частицы.

Все обычные тела состоят из атомов, в состав которых входят положительно заряженные протоны, отрицательно заряженные электроны и нейтральные частицы – нейтроны.

Протоны и нейтроны входят в состав атомных ядер, электроны образуют электронную оболочку атомов. Электрические заряды протона и электрона по модулю в точности одинаковы и равны элементарному заряду e.

В нейтральном атоме число протонов в ядре равно числу электронов в оболочке. Это число называется атомным номером. Атом данного вещества может потерять один или несколько электронов или приобрести лишний электрон. В этих случаях нейтральный атом превращается в положительно или отрицательно заряженный ион.

Заряд может передаваться от одного тела к другому только порциями, содержащими целое число элементарных зарядов. Таким образом, электрический заряд тела – дискретная величина:

Физические величины, которые могут принимать только дискретный ряд значений, называются квантованными. Элементарный заряд e является квантом (наименьшей порцией) электрического заряда.

Следует отметить, что в современной физике элементарных частиц предполагается существование так называемых кварков – частиц с дробным зарядом и Однако, в свободном состоянии кварки до сих пор наблюдать не удалось.

В обычных лабораторных опытах для обнаружения и измерения электрических зарядов используется электрометр – прибор, состоящий из металлического стержня и стрелки, которая может вращаться вокруг горизонтальной оси (рис. 1.1.1).

Стержень со стрелкой изолирован от металлического корпуса. При соприкосновении заряженного тела со стержнем электрометра, электрические заряды одного знака распределяются по стержню и стрелке.

Силы электрического отталкивания вызывают поворот стрелки на некоторый угол, по которому можно судить о заряде, переданном стержню электрометра.

Рисунок 1.1.1.Перенос заряда с заряженного тела на электрометр

Электрометр является достаточно грубым прибором; он не позволяет исследовать силы взаимодействия зарядов. Впервые закон взаимодействия неподвижных зарядов был открыт французским физиком Ш. Кулоном в 1785 г.

В своих опытах Кулон измерял силы притяжения и отталкивания заряженных шариков с помощью сконструированного им прибора – крутильных весов (рис. 1.1.2), отличавшихся чрезвычайно высокой чувствительностью.

Так, например, коромысло весов поворачивалось на 1° под действием силы порядка 10–9 Н.

Идея измерений основывалась на блестящей догадке Кулона о том, что если заряженный шарик привести в контакт с точно таким же незаряженным, то заряд первого разделится между ними поровну.

Таким образом, был указан способ изменять заряд шарика в два, три и т. д. раз. В опытах Кулона измерялось взаимодействие между шариками, размеры которых много меньше расстояния между ними.

Такие заряженные тела принято называть точечными зарядами.

Точечным зарядом называют заряженное тело, размерами которого в условиях данной задачи можно пренебречь.

Рисунок 1.1.2.Прибор Кулона
Рисунок 1.1.3.Силы взаимодействия одноименных и разноименных зарядов

На основании многочисленных опытов Кулон установил следующий закон:

Силы взаимодействия неподвижных зарядов прямо пропорциональны произведению модулей зарядов и обратно пропорциональны квадрату расстояния между ними:

Силы взаимодействия подчиняются третьему закону Ньютона: Они являются силами отталкивания при одинаковых знаках зарядов и силами притяжения при разных знаках (рис. 1.1.3). Взаимодействие неподвижных электрических зарядов называют электростатическим или кулоновским взаимодействием. Раздел электродинамики, изучающий кулоновское взаимодействие, называют электростатикой.

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

Коэффициент пропорциональности k в законе Кулона зависит от выбора системы единиц. В Международной системе СИ за единицу заряда принят кулон (Кл).

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

Коэффициент k в системе СИ обычно записывают в виде:

где – электрическая постоянная.

В системе СИ элементарный заряд e равен:

e = 1,602177·10–19 Кл ≈ 1,6·10–19 Кл.

Опыт показывает, что силы кулоновского взаимодействия подчиняются принципу суперпозиции.

Если заряженное тело взаимодействует одновременно с несколькими заряженными телами, то результирующая сила, действующая на данное тело, равна векторной сумме сил, действующих на это тело со стороны всех других заряженных тел.

Рис. 1.1.4 поясняет принцип суперпозиции на примере электростатического взаимодействия трех заряженных тел.

Рисунок 1.1.4.Принцип суперпозиции электростатических сил
Модель. Взаимодействие точечных зарядов

Принцип суперпозиции является фундаментальным законом природы.

Однако, его применение требует определенной осторожности, в том случае, когда речь идет о взаимодействии заряженных тел конечных размеров (например, двух проводящих заряженных шаров 1 и 2).

Если к системе из двух заряженных шаров поднсти третий заряженный шар, то взаимодействие между 1 и 2 изменится из-за перераспределения зарядов.

Принцип суперпозиции утверждает, что при заданном (фиксированном) распределении зарядов на всех телах силы электростатического взаимодействия между любыми двумя телами не зависят от наличия других заряженных тел.




Лучшие школы, лагеря, ВУЗы за рубежом
расчески majestic отзывы
treat-yourself.ru
Математика, Английский язык, Химия, Биология, Физика, География, Астрономия.
А также: online подготовка к ЕГЭ на College.ru, библиотека ЭОРов и обучающие программы на Multiring.ru.

Источник: https://physics.ru/courses/op25part2/content/chapter1/section/paragraph1/theory.html

Электрический заряд. Закон сохранения заряда. урок. Физика 10 Класс

Электрический заряд. Закон его сохранения

С электричеством вы сталкиваетесь постоянно. Вы видели молнию, вы освещаете комнату с помощью электрической лампочки, электрообогреватель выделяет тепло – все эти явления связаны с движением электрического заряда.

С неподвижным электрическим зарядом вы тоже сталкивались, когда после расчесывания получали наэлектризованные волосы. Они разлетаются в разные стороны.

Электрические заряды находятся без преувеличения везде, из них состоит любое вещество! На этом уроке мы выясним то, что нам известно про заряды.

Как известно, в природе встречаются заряды двух типов – положительные и отрицательные. Разноименные заряды притягиваются, одноименные – отталкиваются. Это взаимодействие происходит на любом расстоянии.

Как же они тогда взаимодействуют? Для этого существует электрическое поле.

Вокруг каждого заряда существует такое поле и если в него попадает еще один заряд, то он начинает «чувствовать» это поле: на него начинают действовать силы притяжения или отталкивания соответственно.

В природе есть много ненаблюдаемого. Например, мы не видим ветер, но видим, как он раскачивает ветви деревьев. Мы не видим температуру, но мы видим, как нагретые тела расширяются. По расширению, например, ртути в термометре, мы можем температуру измерять (см. рис. 1).

Рис. 1. Расширение ртути

Т. е. мы наблюдаем проявление чего-то и на основе этих наблюдений судим о том, чего непосредственно не наблюдаем. Заряд мы тоже изучаем по его проявлению. Мы не видим заряды, но наблюдаем их взаимодействие. Один заряд действует на другой на расстоянии через электрическое поле. Поле заряда – это пространство, где на другие заряды будет действовать сила.

Взаимодействие тел через поле нам уже знакомо. Тело, обладающее массой, создает вокруг себя поле – гравитационное, которое проявляется в действии на другое тело, обладающее массой. Их взаимодействие подчиняется закону всемирного тяготения (см. рис. 2).

Рис. 2. Взаимодействие массивных тел

Закон всемирного тяготения

Вокруг тела, обладающего массой, возникает гравитационное поле. Посредством этого поля массы взаимодействуют, притягиваются. Сила их притяжения пропорциональна величине каждой из масс и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними (см. рис. 3):

 – константа, гравитационная постоянная, равна .

Рис. 3. Закон всемирного тяготения

Квадрат расстояния встречается во многих физических формулах, так что это позволяет говорить о законе, связывающем величину эффекта с квадратом расстояния от источника воздействия:

Эта пропорциональность справедлива для гравитационного, электрического, магнитного действия, силы звука, света, радиации, распространяющихся от источника.

Связано это, конечно, с тем, что площадь поверхности сферы распространения эффекта увеличивается пропорционально квадрату расстояния (см. рис. 4).

Это будет выглядеть естественным, если вспомнить, что площадь сферы пропорциональна квадрату радиуса:

и тогда понятно, что сила действия от источника вдали от него должна распределяться по сфере всё большего радиуса.

Рис. 4. Площадь сферы распространения эффекта увеличивается с увеличением радиуса сферы

 Итак, электрические заряды взаимодействуют через электрическое поле, которое они вокруг себя создают.

Электрический заряд – физическая величина, которая показывает способность тел участвовать в электромагнитных взаимодействиях.

Разные заряды будут взаимодействовать с разными силами. Измерить силы обычным способом – это легко разрешимая задача. По величине силы мы можем судить о величине заряда. Понятно, что чем больше заряды, тем сильнее они взаимодействуют. Но понятия больший или меньший заряд – нечеткие, а величину заряда нужно измерить точно.

Измерить заряд, используя уже известные единицы измерения, не получится. Мы не измерим заряд ни в метрах, ни, например, в килограммах. Это сущность, для которой нужна новая единица измерения. Единица измерения заряда – кулон.

Обозначается заряд чаще всего буквой .

Единицы измерения заряда

Заряд проявляется в воздействии на другой заряд. Измерять его можно по этому воздействию, то есть измерять силу, с которой этот заряд действует на другой заряд на некотором расстоянии. Тогда единицы измерения заряда можно выразить через килограмм, метр и секунду. Так раньше и поступали в системе СГС. В системе СИ заряд удобно измерять в Кл (кулонах).

Процесс сообщения телу электрического заряда называется электризацией. Часто он происходит при трении тел друг о друга. Например, если потереть эбонитовую палочку о шерсть (см. рис. 5), то и она, и шерсть приобретут электрические заряды (эбонитовая палочка зарядится отрицательно, а шерсть – положительно).

Рис. 5. Заряжание эбонитовой палочки

Проверить это просто: если поднести два наэлектризованных кусочка шерсти друг к другу, то они будут отталкиваться, так как заряжены зарядом одинакового знака (см. рис. 6).

Рис. 6. Оба кусочка шерсти заряжены положительно

Из этого следует вывод, что заряды одного типа отталкиваются. Если расчесывать волосы, то расческа заряжается отрицательно, а волосы – положительно (см. рис. 7).

Рис. 7. Заряжание волос

Собственно, поэтому, после расчесывания, волосы разлетаются в разные стороны (каждый волос заряжен положительно и отталкивается от остальных (см. рис. 8)).

Рис. 8. Каждый волос заряжен положительно

Путем простых опытов мы обнаружили, что существует два типа зарядов, которые взаимодействуют следующим образом: однотипные заряды отталкиваются, разнотипные – притягиваются.

Как определить, какой именно заряд приобретает тело при трении

Мы проводим много опытов с расческами, тканями и палочками, чтобы они приобретали электрический заряд. Одна и та же шерсть заряжается отрицательно при трении о стекло и положительно при трении о полиэтилен.

Как можно заранее знать, какой тип заряда приобретает материал? Есть ли какое-то правило? Можно заниматься практическим определением (такие опыты были проведены много раз), и были получены трибоэлектрические ряды некоторых материалов (см. рис.

9), в которых любой взятый материал при трении с материалом, расположенным ниже него в ряду, заряжается положительно, и наоборот. Разные экспериментаторы получали свои ряды, и на рисунке их можно увидеть.

Рис. 9. Трибоэлектрические ряды

Сейчас известно, что носителями двух типов заряда являются элементарные частицы: электрон и протон. Элементарные частицы неделимы, поэтому заряд одной частицы, равный , – это минимальный заряд, обозначается часто  или . Эти частицы имеют массу:  и  для электрона и протона соответственно.

Что же происходит с телами при электризации? Представьте себе два одинаковых металлических шара, но только один из них заряжен отрицательно, а другой не заряжен (см. рис. 10).

Рис. 10. Заряженный и незаряженный шары

Известно, что все тела состоят из атомов, а те, в свою очередь, состоят из протонов, нейтронов, электронов (см. рис. 11).

Рис. 11. Атом

Протоны заряжены положительно, электроны – отрицательно. Будем называть их элементарными зарядами, то есть неделимыми.

Так вот, в большинстве случаев в атоме количество протонов равняется количеству электронов и получается, что они полностью компенсируют друг друга и в целом атом нейтрален.

Важно понимать, что в атоме заряды никуда не исчезают, там по-прежнему есть положительные и отрицательные частицы, просто их действие на далекие предметы полностью компенсируется (см. рис. 12).

Рис. 12. Действие частиц компенсировано

А вот в шаре, заряженном отрицательно, электронов больше, чем протонов, поэтому в целом в теле количество отрицательных элементарных зарядов больше, чем количество положительных элементарных зарядов, и тело заряжено отрицательно (см. рис. 13).

Рис. 13. Количество электронов в заряженном шаре

Заряд макроскопического тела (состоящего из большого количества атомов) – это величина, показывающая разность между положительными и отрицательными зарядами в теле. Если это количество одинаково, то заряд нулевой. Величина элементарного заряда известна и равна . Соответственно, заряд протона договорились считать положительным , а заряд электрона – отрицательным .

Что же происходит при трении тел друг о друга, например пластика о шерсть? Электроны с внешних оболочек атомов, входящих в состав шерсти, «перепрыгивают» на пластмассу (см. рис. 14).

Рис. 14. Движение электронов при трении

Получается, что в шерсти становится меньше отрицательных электронов и она заряжается положительно, а пластмасса – отрицательно, так как в ней появляется избыточное количество электронов. Можно даже сказать: если при контакте заряд одного тела увеличивается, то у другого уменьшается.

Что касается искр между людьми, то это происходит, если хотя бы один человек «заряжен» (допустим, человек ходил по шерстяному ковру, при трении подошвами по нему), и если другой человек не заряжен также, то заряд будет перетекать с одного человека на другого, иногда это перетекание может быть даже по воздуху, в таком случае и появляется искра. Стоит отметить, что искра появляется только благодаря движению электронов, протоны находятся в ядрах атомов, они менее подвижны и не могут покидать атомов отличие от электронов.

Зарядить тело можно и без контакта – через влияние электрическим полем. Представьте себе незаряженный шар, к которому подносят положительно заряженную палочку – разноименные заряды притягиваются, поэтому электроны, которые были в шаре, притянутся к положительно заряженной палочке и скопятся в той части шара, которая ближе к ней (см. рис. 15).

Рис. 15. Влияние положительно заряженной палочки на электроны

Почему незаряженные частицы фольги притягиваются к заряженной расческе?

Оказывается, незаряженный кусочек фольги будет притягиваться к заряженной расческе. Как же так? В целом кусочек фольги электрически нейтрален.

Давайте посмотрим, что произойдет, если мы поднесем отрицательно заряженную расческу к кусочку фольги – отрицательно заряженная расческа притягивает к себе положительный заряд и отталкивает отрицательный.

Поэтому электроны отодвинутся дальше от границы, а сторона, которая находится ближе к расческе, будет заряжена положительно (см. рис. 16) и притяжение будет сильнее, чем отталкивание, потому что положительная часть фольги находится ближе к расческе.

Рис. 16. Расположение электронов в фольге при поднесении расчески

Так как основным принципом физики является принцип, по которому «ничто не исчезает бесследно», то выполняется закон сохранения электрического заряда: в электрически замкнутой системе алгебраическая сумма зарядов неизменна. Электрически замкнутая система – это модель. Это такая система, которую не покидают и не пополняют электрические заряды.

Пылинка, имеющая положительный заряд , потеряла электрон. Каким стал заряд пылинки?

В задаче описано тело, теряющее заряд. По закону сохранения заряд не исчезает бесследно, в электрически замкнутой системе суммарный заряд не изменяется. Выберем, какую систему считать электрически замкнутой. Пылинку покидает электрон, поэтому саму пылинку считать электрически замкнутой нельзя. Замкнутой можно считать систему, в которую входит пылинка и электрон (см. рис. 17).

Рис. 17. Замкнутая система

По закону сохранения заряда заряд системы до потери пылинкой электрона равен заряду после потери. Запишем это: заряд пылинки был . После взаимодействия заряд системы состоит из нового заряда пылинки и заряда электрона и равен заряду системы до потери:

где  – новый заряд пылинки. Заряд пылинки стал равен .

Рис. 18. Заряд системы до и после потери электрона

Ответ: заряд пылинки стал равен .

На этом наш урок окончен. Спасибо за внимание!

Список литературы

1. Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б., Сотский Н.Н. Физика: учеб. для общеобразоват. учреждений. Базовый и профильный уровни. 19-е издание. – М.: Просвещение, 2010.

2. Касьянов В.А. Физика. 10 кл.: Профильный уровень. 13-е издание. – М.: 2013 – 432 с.

Дополнительные рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет

1. Интернет-сайт «Медицинская энциклопедия» (Источник)

2. Интернет-сайт nscience.ru (Источник)  

3. Интернет-сайт «Класс!ная физика» (Источник)

4. Интернет-сайт «Электрик PRO» (Источник)

Домашнее задание

1. Сформулируйте закон сохранения электрического заряда.

2. Чему равен заряд электрона?

3. Верно ли утверждение: «Одноименные заряды отталкиваются»?

Источник: https://interneturok.ru/lesson/physics/10-klass/osnovy-elektrodinamiki-2/elektricheskiy-zaryad-zakon-sohraneniya-zaryada

Booksm
Добавить комментарий