Взаимодействие зарядов(уч.10кл.Стр.347-349,)

См.выше Электрический заряд. Определение. Квантование (уч.10кл.стр.347-349)

Элементарный электрический заряд(уч.10кл.Стр.347-349)

См.выше Электрический заряд. Определение. Квантование (уч.10кл.стр.347-349)

Элементарный электрический заряд (элементарные частицы)

Заряд макротела

Квантование заряда

Закон сохранения электрического заряда(уч.10кл.Стр.352-353)

Понятия электрически изолированной системы

Закон сохранения заряда. Формулировка и формула

Физический смысл закона сохранения заряда

Зависимость закона от системы отсчета

Электрически изолированная система – система тел, через границу которой не проникают заряды.

В результате взаимодействия тел внутри электрически изолированной системы заряды перераспределяются между телами. Полный заряд такой системы не изменяется.

Закон сохранения заряда:

Алгебраическая сумма электрических зарядов изолированной системы постоянна.

Q₁ + … + Q_n = const

n – число зарядов в системе

В соответствии с законом сохранения заряда разноименные заряды рождаются и исчезают попарно.

Закон сохранения заряда имеет глубокий смысл. Если число заряженных элементарных частиц не меняется, то выполнение закона сохранения заряда очевидно. Но элементарные частицы могут превращаться друг в друга, рождаться и исчезать, давая начало новым частицам.

Однако во всех случаях заряженные частицы рождаются только парами с одинаковым по модулю и противоположным по знаку зарядом. Исчезают заряженные частицы тоже только парами, превращаясь в нейтральные.

Во всех случаях сумма зарядов остается постоянной.

Закон сохранения заряда справедлив в любой инерциальной системе отсчета.

Наблюдатели в разных инерциальных системах отсчета, измеряя один и тот же заряд, получают одно и тоже значение.

Причина закона сохранения заряда до сих пор не известна.

Закон кулона(уч.10кл.Стр.354-362)

Основной закон электростатики. Понятие точечного заряженного тела.

Измерение силы взаимодействия зарядов с помощью крутильных весов. Опыты Кулона

Определение точечного заряда

Закон Кулона. Формулировка и формула

Сила Кулона

Определение единицы заряда

Коэффициент в законе Кулона

Сравнение электростатических и гравитационных сил в атоме

Равновесие статических зарядов и его физический смысл (на примере трех зарядов)

Основной закон электростатики – закон взаимодействия двух неподвижных точечных заряженных тел.

Установлен Шарлем Огюстеном Кулоном в 1785 году и носит его имя.

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 током случае эти тела можно рассматривать, как точечные.

Сила взаимодействия заряженных тел зависит от свойств среды между ними. Опыт показывает, что воздух очень мало влияет на силу этого взаимодействия и она оказывается почти такой же как в вакууме.

Опыт Кулона

Первые результаты по измерению силы взаимодействия зарядов получены в 1785 г. французским ученым Шарлем Огюстеном Кулоном

Для измерения силы использовались крутильные весы.

Маленькая тонкая незаряженная золотая сфера на одном конце изолирующего коромысла, подвешенного на упругой серебряной нити, уравновешивалась на другом концу коромысла бумажным диском.

Поворотом коромысла она приводилась в контакт с такой же неподвижной заряженной сферой, в результате чего ее заряд делился поровну между сферами.

Диаметр сфер выбирался много меньше расстояния между ними, чтобы исключить влияние размеров и формы заряженных тел на результаты измерений.

Точечный заряд – заряженное тело, размер которого много меньше расстояния его возможного действия на другие тела.

Сферы, имеющие одноименные заряды, начинали отталкиваться, закручивая нить. Угол поворота был пропорционален силе, действующей на подвижную сферу.

Расстояние между сферами измерялось по специальной градуировочной шкале.

Разряжая сферу 1 после измерения силы и соединяя ее вновь с неподвижной сферой, Кулон уменьшал заряд на взаимодействующих сферах в 2,4,8 и т.д. раз,

Закон Кулона:

Сила взаимодействия между двумя неподвижными точечными зарядами, находящимися в вакууме, прямо пропорциональна произведению модулей зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними, и направлена по прямой, соединяющей заряды.

F₁₂ = k

k – коэффициент пропорциональности, зависящий от выбора системы единиц.

Силу F₁₂ называю силой Кулона

Сила Кулона центральная, т.е. направлена по линии соединяющей центры зарядов.

В СИ единица заряда является не основной, а производной, и определяется с помощью Ампера – основной единицы СИ.

Кулон – электрический заряд, проходящий через поперечное сечение проводника при силе тока в 1 А за 1 с

В СИ коэффициент пропорциональности в законе Кулона для вакуума:

k = 9*10⁹ Нм²/Кл²

Часто коэффициент записывают в виде:

k =

₀ = 8,85*10^-12 Кл²/(Нм²) – электрическая постоянная

Закон Кулона записывается в форме:

F₁₂ =

Если точечный заряд поместить в среду с относительной диэлектрической проницаемостью , отличную от вакуума , кулоновская сила уменьшится в  раз.

У любой среды кроме вакуума  > 1

F₁₂ =

Согласно закону Кулона два точечных заряда по 1 Кл, на расстоянии 1 м в вакууме, взаимодействуют с силой

F = 9*10⁹Н

Из этой оценки видно, что заряд в 1 Кулон – очень большая величина.

На практике пользуются дольными единицами – мкКл (10^-6), мКл (10^-3)

1 Кл содержит 6*10¹⁸ зарядов электронов.

На примере сил взаимодействия электрона и протона в ядре можно показать, что электростатическая сила взаимодействия частиц больше гравитационной примерно на 39 порядков. Однако электростатические силы взаимодействия макроскопических тел ( в целом электронейтральных) определяются лишь очень малыми избыточными зарядами, находящимися на них, и поэтому не велики по сравнению с гравитационными, зависящими от массы тел.

Возможно ли равновесие статических зарядов?

Рассмотрим систему из двух положительных точечных зарядов q₁ и q₂.

Найдем, в какую точку следует поместить третий заряд, чтобы он находился в равновесии, а так же определим величину и знак этого заряда.

Статическое равновесие возникает тогда, когда геометрическая (векторная) сумма сил, действующих на тело, равна нулю.

Точка, в которой силы, действующие на третий заряд q₃, могут компенсировать друг друга, находится на прямой между зарядами.

При этом заряд q₃ может быть как положительным так и отрицательным. В первом случае компенсируются силы отталкивания, во втором – силы притяжения.

Учитывая закон Кулона статическое равновесие зарядов будет в случае:

k = k

Равновесие заряда q₃ не зависит ни от его величины, ни от знака заряда.

При изменении заряда q₃ в равной мере меняются как силы притяжения (q₃ положительный), так и силы отталкивания (q₃ отрицательный)

Решив квадратное уравнение относительно x можно показать, что заряд любого знака и величины будет находится в равновесии в точке на расстоянии x₁ от заряда q₁:

x₁ = l

Выясним устойчивым или неустойчивым будет положение третьего заряда.

(При устойчивом равновесии тело, выведенное из положения равновесия, возвращается к нему, при неустойчивом – удаляется от него)

При горизонтальном смещении силы отталкивания F₃₁, F₃₂ меняются из-за изменения расстояний между зарядами, возвращая заряд к положению равновесия.

При горизонтальном смещении равновесие заряда q₃ устойчивое.

При вертикальном смещении, равнодействующая F₃₁, F₃₂ выталкивает q₃

от положения равновесия вверх или вниз.

При вертикальном смещении равновесие заряда q₃ неустойчивое.

Система статических зарядов не может быть устойчивой

По этой причине стабильное вещество может строиться лишь из движущихся зарядов.