Электрический заряд. Закон Кулона
Мы помогаем студентам с дипломными, курсовыми, контрольными Узнать стоимость

Электрический заряд. Закон Кулона

    Определение 1

    Многие из окружающих нас физических явлений, происходящих в природе, не находят объяснения в законах механики, термодинамики и молекулярно-кинетической теории. Такие явления основываются на влиянии сил, действующих между телами на расстоянии и независимых от масс взаимодействующих тел, что сразу отрицает их возможную гравитационную природу. Данные силы называются электромагнитными.

    Еще древние греки имели некоторое представление об электромагнитных силах. Однако только в конце XVIII века началось систематическое, количественное изучение физических явлений, связанных с электромагнитным взаимодействием тел.

    Определение 2

    Благодаря кропотливому труду большого количества ученых в XIX веке было завершено создание абсолютно новой стройной науки, занимающейся изучением магнитных и электрических явлений. Так один из важнейших разделов физики, получил название электродинамики.

    Создаваемые электрическими зарядами и токами электрические и магнитные поля стали ее основными объектами изучения.

    Электрическое поле

    Понятие заряда в электродинамике играет ту же роль, что и гравитационная масса в механике Ньютона. Оно входит в фундамент раздела и является для него первичным.

    Определение 3

    Электрический заряд представляет собой физическую величину, которая характеризует свойство частиц или тел вступать в электромагнитные силовые взаимодействия.

    Буквами q или Q в электродинамике обычно обозначают электрический заряд.

    В комплексе все известные экспериментально доказанные факты дают нам возможность сделать следующие выводы:

    Определение 4

    Существует два рода электрических зарядов. Это, условно названные, положительные и отрицательные заряды.

    Определение 5

    Заряды могут переходить (к примеру, при непосредственном контакте) между телами. Электрический заряд, в отличие от массы тела, не является его неотъемлемой характеристикой. Одно конкретное тело в различных условиях может принимать разное значение заряда.

    Определение 6

    Одноименные заряды отталкиваются, разноименные – притягиваются. В данном факте проявляется очередное принципиальное различие электромагнитных и гравитационных сил. Гравитационные силы всегда представляют собой силы притяжения.

    Закон сохранения электрического заряда является одним из фундаментальных законов природы.

    В изолированной системе алгебраическая сумма зарядов всех тел неизменна:

    q1+q2+q3+...+qn=const.

    Определение 7

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

    С точки зрения современной науки, носителями зарядов являются элементарные частицы. Любой обычный объект состоит из атомов. В их состав входят несущие положительный заряд протоны, отрицательно заряженные электроны и нейтральные частицы – нейтроны. Протоны и нейтроны являются составной частью атомных ядер, электроны же образуют электронную оболочку атомов. По модулю электрические заряды протона и электрона эквивалентны и равняются значению элементарного заряда e.

    В нейтральном атоме количество электронов в оболочке и протонов в ядре одинаково. Число любых из списка приведенных частиц называется атомным номером.

    Подобный атом имеет возможность как потерять, так и приобрести один или несколько электронов. Когда такое происходит, нейтральный атом становится положительно или отрицательно заряженным ионом.

    Заряд может переходить от одного тела к другому лишь порциями, в которых содержится целое число элементарных зарядов. Выходит, что электрический заряд тела является дискретной величиной: 

    q=±ne (n=0, 1, 2,...).

    Определение 8

    Физические величины, имеющие возможность принимать исключительно дискретный ряд значений, называются квантованными.

    Определение 9

    Элементарный заряд e представляет собой квант, то есть наименьшую возможную порцию электрического заряда.

    Определение 10

    Несколько выбивается из всего вышесказанного факт существования в современной физике элементарных частиц так называемых кварков – частиц с дробным зарядом ±13e и ±23e.

    Однако наблюдать кварки в свободном состоянии ученым так и не довелось.

    Определение 11

    Для обнаружения и измерения электрических зарядов в лабораторных условиях обычно используют 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. Соприкасаясь со стержнем электрометра, заряженное тело провоцирует распределение по стержню и стрелке электрических зарядов одного знака. Воздействие сил электрического отталкивания становится причиной отклонения стрелки на некоторый угол, по которому можно определить заряд, переданный стержню электрометра.

    Рисунок 1.1.1. Перенос заряда с заряженного тела на электрометр.

    Электрометр – достаточно грубый прибор. Его чувствительность не позволяет исследовать силы взаимодействия зарядов. В 1785 году был впервые открыт закон взаимодействия неподвижных зарядов. Первооткрывателем стал французский физик Ш. Кулон. В своих опытах он измерял силы притяжения и отталкивания заряженных шариков с помощью сконструированного им прибора для измерения электрического заряда – крутильных весов (рис. 1.1.2), обладающих крайне высокой чувствительностью. Коромысло весов поворачивалось на 1° под действием силы приблизительной 109 Н.

    Идея измерений основывалась на догадке физика о том, что при контакте заряженного шарика с таким же незаряженным, имеющийся заряд первого разделится на равные части между телами. Так был получен способ изменять заряд шарика в два или более раз.

    Определение 12

    Кулон в своих опытах измерял взаимодействие между шариками, размеры которых значительно уступали разделяющему их расстоянию, из-за чего ими можно было пренебречь. Подобные заряженные тела принято называть точечными зарядами.

    Рисунок 1.1.2. Прибор Кулона.

    Рисунок 1.1.3. Силы взаимодействия одноименных и разноименных зарядов.

    Основываясь на множестве опытов, Кулон установил следующий закон:

    Определение 13

    Силы взаимодействия неподвижных зарядов прямо пропорциональны произведению модулей зарядов и обратно пропорциональны квадрату расстояния между ними: F=kq1·q2r2.

    Силы взаимодействия являются силами отталкивания при одинаковых знаках зарядов и силами притяжения при разных знаках (рис. 1.1.3), а также подчиняются третьему закону Ньютона:
    F1=-F2.

    Определение 14

    Кулоновским или же электростатическим взаимодействием называют воздействие друг на друга неподвижных электрических зарядов.

    Определение 15

    Раздел электродинамики, посвященный изучению кулоновского взаимодействия, называется электростатикой.

    Закон Кулона может быть применим по отношению к точечным заряженным телам. На практике, он в полной мере выполняется в том случае, если размерами заряженных тел можно пренебречь из-за значительно превышающего их расстояния между объектами взаимодействия.

    Коэффициент пропорциональности k в законе Кулона зависим от выбора системы единиц.

    В Международной системе СИ единицу измерения электрического заряда представляет кулон (Кл).

    Определение 16

    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 в большинстве случаев записывается в виде следующего выражения: 

    k=14πε0.

    В котором ε0=8,85·10-12Кл2Н·м2 является электрической постоянной.

    В системе СИ элементарный заряд e равняется:

    e=1,602177·10-19 Кл1,6·10-19 Кл.

    Опираясь на опыт, можно сказать, что силы кулоновского взаимодействия подчиняются принципу суперпозиции.

    Теорема 1

    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.

    Принцип суперпозиции

    На рисунке 1.1.4 на примере электростатического взаимодействия трёх заряженных тел поясняется принцип суперпозиции.

    Рисунок 1.1.4. Принцип суперпозиции электростатических сил F=F21+F31; F2=F12+F32; F3=F13+F23.

    Рисунок 1.1.5. Модель взаимодействия точечных зарядов.

    Несмотря на то, что принцип суперпозиции является фундаментальным законом природы, его использование требует некоторой осторожности, когда он применяется по отношению к взаимодействию заряженных тел конечных размеров. Примером таковых могут послужить два проводящих заряженных шара 1 и 2. Если к подобной системе, состоящей из двух обладающих зарядом шаров поднести еще один заряженный шар, то взаимодействие между 1 и 2 претерпит изменения по причине перераспределения зарядов.

    Принцип суперпозиции предполагает, что силы электростатического взаимодействия между двумя любыми телами не зависят от наличия других обладающих зарядом тел, при условии, что распределение зарядов фиксировано (задано).

    Если вы заметили ошибку в тексте, пожалуйста, выделите её и нажмите Ctrl+Enter
    Средняя оценка статьи
    4,1 из 5 (12 голосов)