Творческое конструкторско-экспериментальное задание.

1. Спроектировать и изготовить устройство для демонстрации явления электризации физического тела и взаимодействия заряженных физических тел. Предлагается в качестве варианта выполнения задания использовать два легких металлических шарика, нить и пластину для подвеса шариков, стеклянную палочку, эбонитовую палочку, лоскут меха, лоскут шелка.

2. Исследовать явление электризации и взаимодействия заряженных тел.

Тема 3 Явление взаимодействия заряженных тел

3.1 Описание физического явления взаимодействия заряженных тел.

Ранее мы узнали, что атомы имеют положительно заряженные протоны и отрицательно заряженные электроны.

Когда говорят, что тело заряжено отрицательно, то это означает, что в нём больше электронов, чем протонов. Если тело не заряжено, то в нём количество положительно и отрицательно заряженных частиц (протонов и электронов) одинаковое. Если тело заряжено положительно, то это означает, что в нём электронов меньше, чем протонов.

Опытным путём было установлено, что тела, заряженные одноимёнными зарядами, отталкиваются (рис.3.1), а тела заряженные разноимёнными зарядами, притягиваются (рис.3.2).

Это явление используется для конструирования электроскопов.

Слово электроскоп происходит от греческих слов: электрон и скопео – определять.

Конструкция простейшего электроскопа приведена на рис.3.3. Через пластмассовую пробку в металлической оправе проходит металлический стержень, на конце которого закреплены два листика тонкой бумаги. Оправа с двух сторон закрыта стеклом.

Рис.3.3

В основе принципа действия электроскопа лежит явление взаимодействия заряженных тел. Если прикоснуться положительно заряженной палочкой к шарику электроскопа, то шарик и стержень, а вместе с ними и листики бумаги также зарядятся положительным зарядом, а поскольку одноимённо заряженные тела отталкиваются, то листики отклонятся на определённый угол. Чем больший заряд получит электроскоп, тем на больший угол отклонятся листики. Итак, по углу отклонения листиков можно судить о величине заряда: чем больше заряд, тем на больший угол отклонятся листики и наоборот.

Для опытов с электричеством используют и другой, более совершенный прибор – электрометр Брауна (рис.3.4). Здесь лёгкая металлическая стрелочка В заряжается от металлического стержня D, отталкиваясь от него на тем больший угол, чем больше они заряжены.

Если дотронуться до шарика электрометра рукой, то электрометр разрядится. Если электрометр был заряжен положительно, то при прикосновении к нему рукой с Земли на электрометр прейдёт определённое количество отрицательно заряженных электронов, которые и скомпенсируют положительный заряд электрометра.

Рассмотрим, как вещества пропускают через себя заряды. В природе есть вещества, у которых часть электронов отрываются от атомов и находятся между атомами. Их называют свободными зарядами. Иногда о них говорят как об электронном газе. Такими веществами являются металлы.

Рис.3.4

Р ассмотрим незаряженный металлический стержень (рис.3.5) и покажем условно наличие в нём свободных электронов, обозначив их следующим образом: .

Е сли теперь поднести к одному из концов стержня положительно заряженный предмет (обозначим положительные заряды следующим образом: ) и прикоснуться к стержню, то будет происходить следующее (рис.3.6).

Между положительными зарядами и электронами, имеющими отрицательный заряд, возникнут силы притяжения, и электроны начнут двигаться в сторону положительных зарядов. Через какое-то очень малое время часть электронов перейдёт на положительно заряженный предмет и компенсирует все положительные заряды на заряженном предмете. Количество электронов в металлическом стержне уменьшится, но на такое же количество в стержне увеличится число положительных зарядов (рис.3.7).

Вещества, которые имеют свободные заряды, не связанные с атомами, обладают способностью пропускать через себя заряды и называются проводниками. К ним относятся металлы, растворы кислот, щелочей, солей и другие.

Вещества, которые не имеют свободных зарядов, не связанных с атомами, не пропускают через себя заряды и называются диэлектриками (изоляторами). К ним относятся фарфор, резина, воздух и другие.

Таблица 3.1

Номер вопроса, задания	Вопросы, задания	Номер правильного ответа
	Как взаимодействуют между собой одноимённо заряженные тела?
	Что означает то, что тело заряжено положительно?
	Как взаимодействуют между собой разноимённо заряженные тела?
	Что означает то, что тело заряжено отрицательно?
	Какое явление лежит в основе принципа действия электроскопа?
	От чего зависит угол отклонения листиков бумаги электроскопа?
	Какие вещества являются проводниками электричества?
	Какие вещества являются диэлектриками?
	Какие заряженные тела взаимодействуют в электроскопе?

- = 21.

Таблица 3.1а

Номер правильного ответа	Правильный ответ
1	От величины измеряемого заряда.
2	То, что в нём электронов больше, чем протонов.
3	Отталкиваются.
4	Те, которые не имеют свободных зарядов.
5	То, что в нём электронов меньше, чем протонов.
6	Те, которые имеют свободные заряды.
7	Листики бумаги.
8	Явление взаимодействия заряженных тел.
9	Притягиваются.

Явление взаимодействия заряженных тел открыл французский физик Шарль Дюфе в 1730 году. Оно заключается в том, что между заряженными телами существуют силы притяжения или отталкивания: тела, имеющие заряд одного знака, отталкиваются; а тела, имеющие заряд разного знака, притягиваются (рис.3.8).

Заряженные тела взаимодействуют между собой на расстоянии. Многократные опыты пока­зывают, что такое взаимодействие возмож­но не только тогда, когда между телами есть воздушное пространство, но и в ва­кууме, например, если в сосуде откачан воздух или тела находятся в открытом Кос­мосе. Значит, между заряженными телами, кроме воздуха, находится нечто, способное передавать электрические взаимодействия от одного тела другому.

Выдающиеся английские ученые Фарадей и Максвелл установили, что в прост­ранстве вокруг заряженных тел или частиц существует электрическое поле.

Сила, с которой электрическое поле действует на внесенное в него заряженное тело или частицу, называется электрической силой.

На рис. 3.9 показано, как электричес­кое поле положительно заряженного шара действует на другие небольшие положите­льно заряженные шарики на различных расстояниях. Из такого опыта видно, что чем меньше расстояние между взаимодей­ствующими телами, тем больше сила их взаимодействия.

Рис.3.9

Исследования известного французского ученого Кулона показали, что при увели­чении расстояния между заряженными те­лами в 2 раза сила их взаимодействия уменьшается в 4 раза. Если же расстояние между заряженными телами увеличить в 3 раза, то сила их взаимодействия уменьша­ется в 9 раз и так далее. Кулон сделал вывод, что сила взаимодействия заряженных тел или частиц F обратно пропорциональна квадра­ту расстояния между ними:

,

где r – расстояние между заряженными те­лами, размерами которых можно прене­бречь, настолько они малы по сравнению с этим расстоянием.

Кулон также доказал, что сила взаимодействия заряженных тел прямо пропорциональна значениям их зарядов:

,

где q₁ – заряд одного тела, а q₂ – другого.

Закон Кулона записывается следующим образом:

(3.1)

где F – сила взаимодействия между точечными зарядами, Н;

q₁ , q₂ – точечные заряды, Кл;

r – расстояние между точечными зарядами, м;

₀ – электрическая постоянная, Ф/м;

 – относительная диэлектрическая проницаемость среды, в которой на­ходятся заряды.

Электрическая постоянная ₀ = 8,85  10^–12 Ф/м.

Э лектрическое поле заряженного тела действует на электрические заряды, помещённые в любую его точку, с определенной силой. Введём понятие проб­ного заряда, под которым будем понимать положительный заряд малой вели­чины q_ПР. Поместим его в поле положительного заряда q (рис.3.10). На пробный за­ряд будет действовать сила F.

Для силовой характеристики электрического поля введено понятие напря­жённости электрического поля в данной точке, под которой понимается физиче­ская величина, численно равная отношению силы, с которой поле действует на пробный заряд, помещённый в данную точку поля, к значению этого заряда, то есть

(3.2)

где Е – напряжённость, В/м;

F – сила, Н;

q_ПР – пробный заряд, Кл.

Пробный заряд, помещённый в данную точку поля, обладает потенциальной энергией (по аналогии с материальным телом, поднятым над землёй, на которое действует сила тяжести). Для энергетической характеристики электрического поля введено понятие потенциала электрического поля в данной его точке, под которым понимается физическая величина, численно равная отношению потенциальной энергии, ко­торой обладает пробный заряд, помещенный в данную точку поля, к значению этого заряда, то есть

(3.3)

где  – потенциал, В;

П – потенциальная энергия, Дж;

q_ПР – пробный заряд, Кл.

Э лектрическое поле заряда можно изобразить графически с помощью сило­вых и эквипотенциальных линий. Силовая линия электрического поля – это траектория движения свободного пробного заряда в этом поле. Эквипотенциальная линия – это линия, соединяющая точки электрического поля с одинаковыми потенциалами. Представим на плоскости электрическое поле положительного точечного заряда (рис.3.11).

Для энергетической характеристики электрического поля введено также по­нятие напряжения электрического поля, под которым понимается разность по­тенциалов, то есть

U12 = 1 – 2 ,

(3.4)

где ₁ , ₂ – потенциалы точек 1 и 2 электрического поля, В;

U₁₂ – напряжение между точками электрического поля, В.

Г рафически напряжение электрического поля изображается стрелкой, направленной от большего потенциала к меньшему потенциалу (рис.3.12).

3.2 Физические величины, описывающие явление взаимодействия заряженных тел.

Таким образом, для характеристики явления взаимодействия заряженных тел введены следующие физические величины: сила взаимодействия, заряд, расстояние между зарядами.

Сила взаимодействия

Даём общую характеристику физической величине – силе взаимодействия заряженных тел.

Введена для характеристики взаимодействия заряженных тел.

Буквенное обозначение – F.

Единица – Н (ньютон).

Величина – векторная.

Определяется – расчётом или измерением с помощью специальных приборов.

Заряд

Даём общую характеристику физической величине – заряду.

Введена для характеристики свойств заряженных тел.

Буквенное обозначение – q.

Единица – Кл (кулон).

Величина – скалярная.

Определяется – расчётом или измерением с помощью электроскопа.

Расстояние

Даём общую характеристику физической величине – расстоянию между заряженными телами.

Введена для характеристики пространственного расположения заряженных тел.

Буквенное обозначение – r.

Единица – м (метр).

Величина – скалярная.

Определяется – расчётом или измерением с помощью линейки.

3.3 Закон взаимодействия заряженных тел.

Закон взаимодействия заряженных тел экспериментально открыл фран­цузский физик Шарль Кулон в 1785 году и он носит его имя. Формулируется он так: два неподвижных точечных электрических заряда взаимодействуют с силой прямо пропорциональной произведению этих зарядов и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними и диэлектричес­кой проницаемости среды.