mozok.click » Фізика » Взаємодія електрично заряджених тіл
Інформація про новину
  • Переглядів: 26
  • Автор: admin
  • Дата: 12-02-2018, 18:46
12-02-2018, 18:46

Взаємодія електрично заряджених тіл

Категорія: Фізика

Електричний заряд. У всіх фізичних явищах проявляють себе ті чи інші взаємодії. Вивчаючи механіку, ми ознайомились з одним із типів взаємодії - гравітаційною - властивістю тіл притягатись. Кількісною величиною, що описує здатність тіл вступати у гравітаційну взаємодію, є їхня маса: чим більша маса тіл, тим сильніше вони притягаються одне до одного. Силу F гравітаційного притягання між двома тілами масами тх та т2, розташованими на відстані г, визначає закон всесвітнього тяжіння І. Ньютона:

гравітаційна стала. Як видно, це вельми мала величина, тому не дивно, що гравітаційні взаємодії мають суттєвий прояв лише у масштабах Всесвіту - між тілами, маси яких величезні. Всередині речовини частинки утримуються силами електромагнітної природи, які на відміну від гравітаційних сил притягання можуть не лише притягувати частинки, а й відштовхувати їх. У курсі механіки, а також молекулярної фізики ми ознайомились із проявами електромагнітної взаємодії - із силами тертя, пружності, міжмолекулярної взаємодії. У 9-му класі ми вивчали електромагнітні явища. Узагальнимо відомі нам факти.

Основною характеристикою електромагнітної взаємодії є електричний заряд.

Електричний заряд q - це фізична величина, яка кількісно характеризує електромагнітну взаємодію.



Бувають частинки без електричного заряду, але не існує електричного заряду без частинки. У 1911 р. була створена планетарна модель атома. Її автор англійський фізик Ернест Резерфорд показав, що у центрі атома розташоване ядро, навколо якого обертаються електрони.

Подальші дослідження довели, що атомне ядро складається з позитивно заряджених протонів та електронейтральних нейтронів. Електричний заряд протона за величиною дорівнює заряду електрона, але протилежний за знаком. У цілому атом електронейтральний, оскільки кількість протонів у ядрі дорівнює кількості електронів у атомі. Кількість протонів у ядрі визначає хімічні властивості атома та його місце у періодичній системі хімічних елементів.

Електричний заряд дискретний: існує елементарний електричний заряд, що дорівнює за абсолютним значенням заряду електрона е = 1,6Ю~19 Кл.

Одиниця електричного заряду - кулон, [д] = 1 Кл.

Числове значення електричного заряду 1 Кл дорівнює сумі зарядів 6,25*1018 електронів.

Наявність електричного заряду q у макротіл пояснюється нерівномірним перерозподілом позитивних і негативних дискретних елементарних зарядів. Електричний заряд тіла q = пе, де п - кількість елементарних неском-пенсованих електричних зарядів.

Як відомо, однойменно заряджені тіла відштовхуються, різнойменно -притягаються. Наелектризувати тіло можна тертям або дотиком до електрично зарядженого тіла.

Явище нерівномірного перерозподілу позитивних і негативних електричних зарядів у макротілах називається електризацією (електростатичною індукцією).

Існують й інші способи електризації тіл. Наприклад, метал можна зробити позитивно зарядженим, якщо його освітити відповідним світловим потоком. У результаті взаємодії світла з металом відбувається виривання електронів із поверхні металу. Втрачаючи електрони, метал стає позитивно зарядженим. Але за будь-якого способу електризації тіл електричні заряди не виникають і не зникають, а лише перерозподіляються між усіма тілами, які беруть участь у тому чи іншому процесі. Це твердження називають законом збереження електричного заряду. Математично він формулюється так.

Алгебраїчна сума електричних зарядів тіл, що утворюють замкнену систему при будь-яких взаємодіях залишається сталою: qy + q2+... + q3 = const.

Закон Кулона. В електростатиці, як і у будь-якому розділі фізики, використовують певні моделі. Однією з моделей електростатики є точковий електричний заряд.

Точкові електричні заряди - це заряджені тіла, розміри яких малі порівняно з відстанню між ними.

Інколи для спрощення вживають термін «заряд». Слід пам’ятати, що цим терміном можуть називати як точкове електрично заряджене тіло, так і значення електричного заряду на ньому.

Кількісно взаємодію між точковими електричними зарядами описує закон, експериментально встановлений Ш. Кулоном у 1785 р.


Сила взаємодії F двох точкових зарядів qі і q2 прямо пропорційна добутку абсолютних величин їх зарядів, обернено пропорційна квадрату відстані між ними г, напрямлена вздовж прямої, що сполучає заряди і відповідає притяганню для різнойменних зарядів та відштовхуванню - для однойменних (мал. 1).

Модуль цієї сили

тут є0 - електрична стала (її величина і розмірність залежать від вибраної системи одиниць), є - відносна діелектрична проникність середовища.

Відносна діелектрична проникність середовища є показує, у скільки разів сила взаємодії електричних зарядів у цьому середовищі менша, ніж у вакуумі. Її числове значення для багатьох речовин визначене дослідним шляхом і занесене до таблиць. Відповідно для вакууму є = 1.

Встановлено, що два точкові заряди по 1 Кл на відстані 1 м один від одного у вакуумі взаємодіють із силою 9-Ю9 Н. Із закону Кулона можна визначити електричну сталу:

У фізиці, як ви знаєте, слід враховувати межі виконання законів. Правильність закону Кулона підтверджена численними перевірками. Встановлено, що він діє між зарядженими частинками, відстань між якими може бути від 1(Г15 м до десятків кілометрів.

Дайте відповіді на запитання

1. Як на досліді можна виявити електромагнітну взаємодію?

2. Що таке електричний заряд? Сформулюйте і поясніть закон збереження електричного заряду.

3. У скільки разів зміниться сила взаємодії між двома точковими зарядами, якщо відстань між ними збільшити у два рази, а значення електричного заряду одного із них збільшити в три рази?

4. Чим подібні й чим відрізняються закон всесвітнього тяжіння і закон Кулона?

5. У системі відліку К значення деякого заряду q. Яким буде значення цього заряду q' у системі відліку К\ що рухається відносно системи К зі швидкістю V, яка набагато менша за швидкість поширення світла?

6. Яким є сумарний заряд моля електронів?

Загальні рекомендації до розв’язування задач

Силу взаємодії між зарядженими тілами обчислюють за законом Кулона. Розраховуючи взаємодію між кількома (двома і більше) зарядженими тілами, слід користуватися принципом незалежності дії електричних зарядів, який полягає в тому, що сила взаємодії між кожною парою заряджених тіл не залежать від наявності інших заряджених тіл. Результуюча сила, що діє на певне заряджене тіло, є геометричною сумою сил, що діють на нього з боку всіх інших зарядів (принцип суперпозиції електричних сил).

Закони електростатики слід використовувати сумісно з законами кінематики, статики, динаміки, якщо в задачі потрібно розрахувати або рух заряджених тіл, або умову рівноваги системи заряджених тіл.

Приклади розв’язування задач

Задача. Однойменні точкові заряди, модулі яких ql = q2 = q3= 1-10 6 Кл, розміщені у вершинах рівностороннього трикутника зі стороною а = 20 см. Визначити силу, що діє у повітрі на один із цих зарядів з боку двох інших.


Розв’язання

Виконаємо схематичний малюнок до задачі (мал. 2). Визначимо силу, що діє

на точковий заряд q3> який перебуває в точці С. Заряди <7, (в точці А) і q2 (в точці В) діють на заряд q3 з

силами ^ і F2.

Рівнодійну цих сил F = F[ + Р2 визначимо за правилом паралелограма. Напрям результуючої сили F , що діє на заряд q3, зображено на мал. 2. Обчислимо її модуль F, використовуючи модулі векторів Fv F2, які дорівнюють довжинам відрізків, що зображують ці вектори. Легко довести, що

За законом Кулона модуль сили

(для вакууму і повітря).

Відповідь: 0,39 Н.

Вправа 1

1. Дві однакові металеві кульки зарядили так, що заряд однієї з них у 5 разів більший, ніж заряд іншої. Кульки доторкнули одну до одної і розсунули на ту саму відстань. Як змінилася (за модулем) сила взаємодії, якщо кульки мали однойменні заряди? різнойменні заряди?

2. У вершинах правильного шестикутника, сторона якого дорівнює а, розташували один за одним заряди +q, +g, +q, -q> -qy -q. Визначити силу, що діє на заряд +<?, який міститься в центрі шестикутника.

3. Дві маленькі кульки масою т підвішені поряд на тонких шовкових нитках довжиною 1= 2 м. Після того, як кульки зарядили рівними однойменними

зарядами <7, = q2 = 1-Ю'8 Кл, вони відштовхнулись одна від одної на відстань г= 16 см. Визначити натяг ниток.

4. Два позитивно заряджені тіла, заряди яких 1,67 і 3,33 нКл, закріплено на відстані 20 см один від одного. В якій точці на прямій, що сполучає ці тіла, необхідно розмістити третє тіло з зарядом -0,67 нКл, щоб воно було у рівновазі? Масами тіл знехтувати.

5. Побудувати графік залежності сили взаємодії між двома точковими зарядами від відстані між ними, F = /(г), в інтервалі 2 < г < 10 см через кожні 2 см. Заряди qx = 20 нКл і = ЗО нКл.



^