14. Билет № 7

Взаимодействие точечных зарядов. Закон Кулона

Электростатика – раздел электродинамики, посвященный изучению покоящихся электрически заряженных тел.

Основной закон электростатики был экспериментально установлен французским физиком Шарлем Кулоном в 1785 гс помощью крутильных весов и читается так: модуль силы взаимодействия двух точечных неподвижных электрических зарядов в вакууме прямо пропорционален произведению величин этих зарядов и обратно пропорционален квадрату расстояния между ними.

F == , где|q₁| и |q₂|— модули зарядов, r — расстояние между ними, k — коэффициент пропорциональности, в СИ k = 9·10⁹ Н·м²/Кл². Физический смысл коэффициента k: численно равен силе взаимодействия единичных положительных зарядов на расстоянии 1 м в вакууме.

Величина, показывающая во сколько раз сила взаимодействия зарядов в вакууме больше, чем в среде, называется диэлектрической проницаемостью среды ε. Для среды с диэлектрической проницаемостью ε (греческая «эпсилон») закон Кулона записывается следующим образом: F = = .

Вместо коэффициента k часто используется коэффициент, называемый электрической постоянной ε₀. Электрическая постоянная связана с коэффициентом k следующим образом k = и численно равна ε₀=8,85·10^-12 Кл² /Н·м².

С использованием электрической постоянной закон Кулона имеет вид:

F= .

В заимодействие неподвижных электрических зарядов называют электростатическим, или кулоновским, взаимодействием. Кулоновские силы можно изобразить графически (рис.). + -

+ +

Кулоновская сила направлена вдоль прямой, соединяющей заряженные тела. Она является силой притяжения при разных знаках зарядов и силой отталкивания при одинаковых знаках.

В природе точечных зарядов не существует, но если расстояние между телами во много раз больше их размеров, то их можно рассматривать как материальные точки и применять закон Кулона. Также можно применять закон Кулона для геометрически симметричных тел (например, сфер), в этом случае r - расстояние между геометрическими центрами (центры сфер).

15. Билет № 23

Электрический ток в электролитах. Законы электролиза. Применение электролиза

Жидкости, как и твердые тела, могут быть диэлектриками, проводниками и полупроводниками. К числу диэлектриков относится дистиллированная вода, к проводникам – растворы и расплавы электролитов: кислот, щелочей и солей. Жидкими полупроводниками являются расплавленный селен, расплавы сульфитов и др..

Электролиты состоят из молекул, которые при растворении в воде распадаются ионы, способные к свободному перемещению.

Пример: CuSO₄ →Cu²⁺+ SO₄^2-

катион анион

Распад молекул вещества на ионы под действием молекул растворителя называется электролитической диссоциацией. Процесс, обратный диссоциации – рекомбинация. Носителями тока в электролитах являются положительно и отрицательно заряженные ионы. Если сосуд с раствором электролита включить в электрическую цепь, то отрицательные ионы начнут двигаться к положительному электроду – аноду, а положительные – к отрицательному – катоду. В результате установится электрический ток. Таким образом, электрический ток в жидкостях – это упорядоченное движение положительных ионов к катоду, а отрицательных - к аноду.

Жидкости могут обладать и электронной проводимостью – например, жидкие металлы.

При ионной проводимости прохождение тока связано с переносом вещества. На электродах происходит выделение веществ, входящих в состав электролита. На аноде отрицательно заряженные ионы отдают свои лишние электроны, а на катоде положительные ионы получают недостающие электроны. Процесс выделения на электроде вещества, входящего в состав электролита, называется электролизом(«лио» - разделяю).

Электролиз широко применяется на практике:

1. покрытие поверхности металла тонким слоем другого металла (никелирование, хромирование, омеднение и т.п.) – защита от коррозии;

2. изготовление металлических копий рельефной поверхности;

3. очистка металлов от примесей;

4. получение газов промышленным способом;

5. электрополировка поверхностей.

Закон электролиза впервые был установлен экспериментально Фарадеем и носит название закона электролиза Фарадея: масса вещества, выделившегося на электроде при прохождении электрического тока, прямо пропорциональна заряду q, прошедшему через электролит.

m = kq, где k – коэффициент пропорциональности между массой вещества и зарядом, называемый электрохимическим эквивалентом вещества. k= , где N_а – постоянная Авогадро, М – молярная масса вещества, n – валентность вещества, а отношение называется химическим эквивалентом вещества.

Из формулы закона электролиза видно, что коэффициент k численно равен массе вещества, выделившегося на электродах при переносе ионами заряда, равного 1 Кл. Таким образом, единица измерения 1кг/Кл. Значение k для различных веществ можно найти в таблице.