Список литературы

1. Башарулы Р., Токбергенова. Койшыбаев Н.-Физика 10 кл.2015г.

2. Туякбаев. Тынтаева Ж. Бакынов Физика 10 кл. Сборник задач 10 класс., 2015г.

3. edu gov.kz/ цифровые образовательные ресурсы по физике 10-11кл

4. http://www.fizika.ru

5 Кронгарт Б. Кем В.Физика /учебник для 10 классов общеобразовательных школ/. –Алматы: Мектеп, 2009г.

МЕЖДУНАРОДНАЯ ОБРАЗОВАТЕЛЬНАЯ КОРПОРАЦИЯ
АКТИВНЫЙ РАЗДАТОЧНЫЙ МАТЕРИАЛ
Физика и астрономия	АКС
2 кредита	1 курс РЭиС, ВТиПО
Лекционное занятие № 9	1 семестр 2017-2018 уч.г.
Электрический заряд. Закон сохранения электрического заряда. Закон Кулона. Электростатическое поле. Напряженность. Однородное электрическое поле. Работа, совершаемая силами электрического поля при перемещении заряда. Потенциал. Напряжение.
Преподаватель Бактыбекова А.Н.

Все тела в природе способны электризоваться, т.е. приобретать электрический заряд. Наличие эл. заряда проявляется в том, что заряженное тело взаимодействует с другими заряженными телами. Имеются два вида электрических зарядов, условно называемых положительными и отрицательными. Заряды одного знака отталкиваются, разных знаков – притягиваются друг другом.

Эл. заряд является неотъемлемым свойством некоторых элементарных частиц. К числу эл. Частиц принадлежат, в частности, электрон (несущий отрицательный заряд), протон, нейтрон (заряд которого равен нулю).

Протон – структурная частица, состоящая из трех частиц с дробным зарядом.

Заряд всех элементарных частиц (если он равен нулю) одинаков по абсолютной величине. Его можно назвать элементарным зарядом. Положительный эл. заряд будем обозначать буквой е.

В обычном состоянии тела нейтральны, т.к. частицы, несущие заряды разных знаков, присутствуют в равных количествах и распределены в теле с одинаковой плотностью. В этом случае алгебраическая сумма зарядом в любом элементарном объеме тела равна нулю, и каждый такой объем (и тело в целом) будет нейтральным.

Если каким-либо образом создать в теле избыток частиц одного знака (соответственно недостаток частиц другого знака), тело окажется заряженным. Можно также, не изменяя общего количества положительных и отрицательных частиц, вызвать их перераспределение в теле таким образом, что в одной части тела возникает избыток зарядов одного знака, в другой – другого. Это можно осуществить, приблизив к незаряженному металлическому телу другое, заряженное тело.

Поскольку всякий заряд q образуется совокупностью элементарных зарядов, он является целым кратным е:

q = ±Ne (1)

Если физическая величина может принимать только определенные дискретные значения, говорят, что эта величина квантуется. Факт выражаемый формулой (1), означает, что электрический заряд квантуется.

Величина заряда, измеряемая в различных инерциальных системах отсчета, оказывается одинаковой. Следовательно, эл. заряд является релятивистки инвариантным. Величина заряда не зависит от того, движется этот заряд или покоится.

Эл. заряды могут исчезать и возникать вновь. Однако всегда возникают или исчезают два элементарных заряда противоположных знаков. Например, электрон и позитрон при встрече аннигилируют, т.е. превращаются в нейтральные гамма-фотоны. При этом исчезают положительный и отрицательный заряды. В ходе процесса, называемого рождением пары, гамма-фотон, попадая в поле атомного ядра, превращается в пару частиц – электрон и позитрон.

Таким образом, суммарный заряд электрически изолированной системы не может изменяться.

Система называется электрически изолированной, если через ограничивающую её поверхность не могут проникать заряженные частицы. Это утверждение носит название закона сохранения электрического заряда.

Надо отметить, что закон сохранения электрического заряда тесно связан с релятивистской инвариантностью заряда. Действительно, если бы величина заряда зависела от скорости, то, приведя в движение заряды одного какого-то знака, мы изменили бы суммарный заряд изолированной системы.

Значение эл. заряда; установленное с учетом измерений Милликена и данных, полученных другими методами, равно е = 1,6*10^-19 Кл в системе СИ.

Электродинамика – это наука о свойствах и закономерностях поведения особого вида материи – электромагнитного поля, осуществляющего взаимодействие между электрически заряженными телами или частицами.

Среди четырех видов взаимодействий, открытых наукой, - гравитационных, электромагнитных, сильных и слабых – именно электромагнитные взаимодействия занимают первое место по широте и разнообразию проявлений.

Если частицы взаимодействуют друг с другом с силами, которые убывают с увеличением расстояния так же, как и силы всемирного тяготения, но превышают силы тяготения во много раз, то говорят, что эти частицы имеют электрический заряд. Сами частицы называются заряженными. Бывают частицы без электрического заряда, но не существует электрического заряда без частицы.

Взаимодействия между заряженными частицами носят название электромагнитных. Электрический заряд определяет интенсивность электромагнитных взаимодействий, подобно тому, как масса определяет интенсивность гравитационных взаимодействий.

Существует минимальный заряд, называемый элементарным, которым обладают все заряженные элементарные частицы (протон, электрон). Отделить часть заряда, например у электрона невозможно. В природе есть частицы с электрическими зарядами противоположных знаков; при зарядах одинаковых знаков частицы отталкиваются, а при разных притягиваются. Заряд элементарных частиц – протонов, входящих в состав всех атомных ядер, называют положительным, а заряд электронов – отрицательным. К частицам, не имеющим электрического заряда, относится нейтрон.

Макроскопическое тело электрически заряжено в том случае, если оно содержит избыточное количество элементарных частиц с одним знаком заряда. Отрицательный заряд тела обусловлен избытком электронов по сравнению с протонами, а положительный – недостатком электронов.

При электризации тел выполняется закон сохранения электрического заряда. Этот закон справедлив для замкнутой системы. В замкнутой системе алгебраическая сумма зарядов всех частиц остается неизменной. Если заряды частиц обозначить через q₁, q₂ и т.д., то .

В природе точечных заряженных тел не существует, но если расстояние между телами во много раз больше их размеров, то ни форма, ни размеры заряженных тел существенно не влияют на взаимодействия между ними. В таком случае эти тела можно рассматривать как точечные.

Сила взаимодействия заряженных тел зависит от свойств среды между заряженными частицами. Пока будем считать, что взаимодействие происходит в вакууме.

Наличие электрического заряда у тел или элементарных частиц означает, что они взаимодействуют друг с другом по закону Кулона. Сила взаимодействия двух точечных неподвижных заряженных тел в вакууме прямо пропорциональна произведению модулей заряда и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Эту силу называют кулоновской:

,

где r – расстояние между зарядами, k – коэффициент пропорциональности, численно равный силе взаимодействия единичных зарядов на расстоянии, равном единице длины k= 9*10⁹ Нм²/Кл².

Единицу заряда в СИ – кулон устанавливают с помощью единицы силы тока. Один Кулон (1 Кл) – это заряд, проходящий за 1 с через поперечное сечение проводника при силе тока 1 А. Минимальный заряд, существующий в природе, - это заряд элементарных частиц. В единицах СИ модуль этого заряда равен:

.

Электрические заряды не действуют друг на друга непосредственно. Каждый из них создает в окружающем пространстве электрическое поле. Поле одного заряда действует на другой заряд, и наоборот. По мере удаления от заряда поле ослабевает. О природе электрического поля можно сказать лишь следующее:

во-первых, поле материально; оно существует независимо от нас, от наших знаний о нем;

во-вторых, поле обладает определенными свойствами, которые не позволяют спутать его с чем-либо другим в окружающем мире.

Электрическое поле неподвижных зарядов называют электростатическим. Оно не меняется со временем. Электростатическое поле создается только электрическими зарядами. Оно существует в пространстве, окружающем эти заряды, и неразрывно с ними связано. Доказательство реальности электрического поля – конечная скорость распространения электромагнитных взаимодействий.

Закон, которому подчиняется сила взаимодействия точечных зарядов, был установлен экспериментально в 1785 г. Кулоном.

Точечным зарядом называется заряженное тело, размерами которого можно пренебречь по сравнению с расстояниями от тела до других тел, несущих электрический заряд.

Атом – это нейтральная частица, он состоит из ядра и электронов; число электронов равно числу протонов в ядре.

Д авайте рассмотрим простейшую модель атома – атома водорода.

Носителем отрицательного заряда в атомах являются электроны.

Электрон – это элементарная частица с отрицательным зарядом.

Носителями положительного заряда в атоме являются протоны, входящие в состав ядер атомов. И электрон, и протон относятся к элементарным частицам. Заряд протона равен заряду электрона, но с противоположным знаком.

Атом

атомное ядро атомная оболочка

протоны нейтроны электрон

q_p = +1,6 * 10 ^-19 Кл q_n = 0 q_e= -1,6 * 10 ^-19 Кл

m₀ = 1836 m_e m₀ = 1839 m_e m_e= 9, 11 * 10 ^-31 кг

Заряды всегда взаимодействуют между собой. Вспомним, что одноименные заряды всегда отталкиваются друг от друга, а разноименные – всегда притягиваются:

Электрический заряд не существует сам по себе. Тело всегда обладает массой, но заряд тела может быть равен нулю. Если заряд тела положительный, то говорят, что в теле не хватает электронов. А если заряд тела отрицательный – это избыток электронов.

Таким образом, электрический заряд элементарных частиц – это особая характеристика частицы – количественная мера ее электромагнитного взаимодействия с другими частями. Мы с вами уже знаем четыре типа фундаментальных взаимодействий:

-гравитационное

-слабое

-электромагнитное

-сильное (ядерное)

Закон Кулона

Точечный заряд – это тело, размерами которого можно пренебречь, по сравнению с расстоянием, на котором осуществляется взаимодействие его с другими заряженными телами.

Значит, для себя отметим, что расстояние r много больше размеров самого заряда.

Раздел электродинамики, посвященный изучению покоящихся электрических зарядов, называют электростатикой.

Основной закон электростатики – это закон взаимодействия точечных электрических зарядов, который был установлен экспериментально французским физиком Шарлем Кулоном в 1785 году.

Закон Кулона может быть выражен формулой (2.1)

q₁

q₂

r

Рисунок 2.1.

Здесь k – коэффициент пропорциональности, которой предполагается положительным, q₁ и q₂ – величины взаимодействующих зарядов, r – расстояние между зарядами, - единичный вектор, имеющий направление от заряда q₁ к заряду q₂, рисунок 2.1. соответствует случаю одноименных зарядов, - сила, действующая на заряд q₁.

Сила отличается от знаком: .

Одинаковый для обоих зарядов модуль силы взаимодействия можно представить в виде .

Опыт показывает, что сила взаимодействия двух данных зарядов не изменяется, если вблизи них поместить еще какие-либо заряды. Пусть имеется заряд q_а и, кроме того, N зарядов q₁, q₂, …., q_N. Из сказанного выше вытекает, что результирующая сила , с которой действуют на q_а все N зарядов q_i, определяется формулой , где - сила, с которой действует на q_а заряд q_i в отсутствие остальных N-1 зарядов.

Установим значение постоянной величины k.

С 1 января 1982 в СССР введен в действие Государственный стандарт, которым предписывается обязательное применение Международной системы единиц, обозначаемой символом СИ. Основными единицами этой системы являются метр, килограмм, секунда, ампер, кельвин, кандела моль. Единицей силы в СИ служит ньютон.

При установлении единиц электрических и магнитных величин СИ исходит из закона взаимодействия не зарядов, а проводников с током.

В Гауссовой системе k=1 (сила в Гауссе. выражается в динах).

В СИ , - электрическая постоянная ( = 8,85*10^-12 Ф/м).

Условия для выполнения закона Кулона:

- Должны быть точечные заряды

- Заряженные тела должны быть неподвижными.

Потенциал и разность потенциалов. Связь между напряженностью электрического поля и разностью потенциалов.

Потенциальной энергией называется энергия, которая определяется взаимным положением взаимодействующих тел или частей одного и того же тела.

Электрическое поле неподвижных электрических зарядов называется электростатическим.

Мерой изменения потенциальной энергии является работа, которая совершается по перемещению тела из одной точки пространства в другую.

- потенциальная энергия данного заряда в разных точках может быть различной, так как она зависит от самого заряда и свойств поля. Но отношение не зависит от значения заряда, его принимают за энергетическую характеристику поля. Обозначают буквой и называют потенциалом поля в данной точке.

представляет собой изменение потенциальной энергии единичного положительного зарядаю его называют разностью потенциалов или U.

Тогда работа, совершаемая силами электрического поля равна

U-напряжение, измеряется в вольтах 1В=1Дж/Кл

Напряжением называется разность потенциалов между двумя точками электрического поля.

Разность потенциалов является энергетической характеристикой электрического поля.

Связь напяжения с напряженностью описывается формулой:

или

Glossary

Русский	Казахский	Английский
Электрическое поле	Электр өріс	Electric fIield
Электричество	Электр	Electricity
Участок	Аудан	Part portion
Свойства	Қасиет	Properties
Применение	Қолдану	Application
Поток	Астау,тасқын	Stream
Устойчивость	Бекемдік	Stability

Тест

$$$1.Как называется физическая величина, характеризующая свойство тел или частиц вступать в электромагнитные взаимодействия и определяющая значения сил и энергий при этих взаимодействиях?

$$электрический заряд

$упругость

$античастица

$электрон

$$$2.Как называется сила, действующая на точечный заряд?

$$сила Кулона

$сила Ньютона

$сила Гука

$сторонняя сила

$$$3.Зависит ли разность потенциалов от траектории движения?

$$нет

$да

$только при перемещении положительных зарядов

$для бесконечно удаленной точки

$$$4.Как называется дольная единица электроемкости равная 10^-9 Ф?

$$нано - фарада

$пико - фарада

$микро - фарада

$мега-фарада

$$$5.Как называется закон, который записывается следующим образом:

$$закон сохранения электрического заряда

$закон Кулона

$закон элементарного заряда

$закон Гука

$$$6.Где сосредоточен весь статический заряд проводника?

$$на его поверхности

$по всему проводнику

$в центре проводника

$это утверждение не имеет смысла

$$$7.Значение электрической постоянной

$$

$

$

$

$$$10.Что означает (сигма)?

$$поверхностную плотность зарядов

$объём

$температуру

$силу тока

$$$11. Сила Кулона – это?

$$сила, действующая на точечный заряд

$сила, действующая на множество нейтронов в проводнике

$сила, работающая при температуре абсолютного нуля

$Сторонняя сила

$$$12.Какой закон был открыт Шарлем Кулоном в 1785 г.?

$$ основной закон электростатики

$ основной закон динамики

$ основной закон статики

$ основной закон МКТ

СРС: Л2. Решить задачи № 3.26,3.27, 3.31

СРСП: Силовые линии электрического поля. Напряженность поля заряженного шара. Нарисовать графики. Г.Я.Мякишев, Б.Б.Буховцев - Физика 10 кл. стр.104-105