Электрические заряды, закон сохранения зарядов. Закон Кулона. Разделение зарядов и зарядка частиц в природе

Министерство  сельского хозяйства РФ

ФГБОУ ВПО РГАУ-МСХА имени К.А Тимирязева

 

 

 

Кафедра физики

 

 

 

  Электрические заряды, закон сохранения зарядов. Закон Кулона. Разделение зарядов и зарядка частиц в природе.

 

 

Выполнила:

 

 

 

 

 

 

 

 

Москва, 2013.

План:

1.1  Электрический заряд..................................................................................... 3

1.2  Закон сохранения зарядов и заряд частиц в природе................................. 3

1.3 Закон Кулона.................................................................................................. 6

1.4 Разделение зарядов........................................................................................ 8

Список используемой литературы...................................................................... 10

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.1. Электрический заряд.

Тела или  частицы, которые действуют на окружающие предметы электрическими силами, называют заряженными или наэлектризованными. Например, упомянутая выше стеклянная палочка после того, как её потереть о лист бумаги, становится наэлектризованной.

Частицы имеют  электрический заряд, если они взаимодействуют  друг с другом посредством электрических сил. Электрические силы уменьшаются с увеличением расстояния между частицами. Электрические силы во много раз превышают силы всемирного тяготения.

Электрический заряд – это физическая величина, которая определяет интенсивность электромагнитных взаимодействий. Электромагнитные взаимодействия – это взаимодействия между заряженными частицами или телами.

Электрический заряд обозначается буквами q или Q.

 

1.2. Закон сохранения зарядов и заряд частиц в природе.

В природе имеются  частицы с зарядами противоположных  знаков. Заряд протона называется положительным, а электрона —  отрицательным. Положительный знак заряда у частицы не означает, конечно, наличия у нее особых достоинств. Введение зарядов двух знаков просто выражает тот факт, что заряженные частицы могут как притягиваться, так и отталкиваться друг от друга. При одинаковых знаках заряда частицы отталкиваются, а при разных — притягиваются. Положительным зарядом обладают стабильные элементарные частицы – протоны и позитроны, а также ионы атомов металлов и т.д. Стабильными носителями отрицательного заряда являются электрон и антипротон.

Существуют электрически незаряженные частицы, то есть нейтральные: нейтрон, нейтрино. В электрических взаимодействиях эти частицы не участвуют, так как их электрический заряд равен нулю. Бывают частицы без электрического заряда, но электрический заряд не существует без частицы.

На стекле, потёртом о шёлк, возникают положительные заряды. На эбоните, потёртом о мех – отрицательные заряды. Частицы отталкиваются при зарядах одинаковых знаков (одноимённые заряды), а при разных знаках (разноимённые заряды) частицы притягиваются.

Все тела состоят из атомов. Атомы состоят из положительно заряженного атомного ядра и отрицательно заряженных электронов, которые движутся вокруг ядра атома. Атомное ядро состоит из положительно заряженных протонов и нейтральных частиц – нейтронов. Заряды в атоме распределены таким образом, что атом в целом является нейтральным, то есть сумма положительных и отрицательных зарядов в атоме равна нулю.

Электроны и протоны входят в состав любого вещества и являются наименьшими устойчивыми элементарными  частицами. Эти частицы могут неограниченно долго существовать в свободном состоянии. Электрический заряд электрона и протона называется элементарным зарядом.

Элементарный  заряд – это минимальный заряд, которым обладают все заряженные элементарные частицы. Электрический заряд протона равен по абсолютной величине заряду электрона:

е = 1,6021892(46) * 10-19 Кл

Величина любого заряда кратна по абсолютной величине элементарному  заряду, то есть заряду электрона. Электрон в переводе с греческого electron – янтарь, протон – от греческого protos – первый, нейтрон от латинского neutrum – ни то, ни другое.

Электрические заряды могут  перемещаться. Вещества, в которых  электрические заряды могут свободно перемещаться, называются проводниками. Хорошими проводниками являются все металлы (проводники I рода), водные растворы солей и кислот – электролиты (проводники II рода), а также раскалённые газы и другие вещества. Тело человека также является проводником. Проводники обладают высокой электропроводностью, то есть хорошо проводят электрический ток.

Вещества, в которых электрические  заряды не могут свободно перемещаться, называются диэлектриками (от английского dielectric, от греческого dia – через, сквозь и английского electric – электрический). Эти вещества также называют изоляторами. Электропроводность диэлектриков очень мала по сравнению с металлами. Хорошими изоляторами являются фарфор, стекло, янтарь, эбонит, резина, шёлк, газы при комнатных температурах и другие вещества.

Разделение на проводники и изоляторы условно, так как  проводимость зависит от различных факторов, в том числе от температуры. Например, стекло хорошо изолирует только в сухом воздухе и становится плохим изолятором при большой влажности воздуха.

Внутри замкнутой системы  при любых взаимодействиях алгебраическая сумма электрических зарядов остается постоянной:  
q₁ + q₂ + ... + q_n = const

Изолированной (или замкнутой) системой мы будем называть систему  тел, в которую не вводятся извне и не выводятся из нее электрические заряды.  
Нигде и никогда в природе не возникает и не исчезает электрический заряд одного знака. Появление положительного электрического заряда всегда сопровождается появлением равного по модулю отрицательного заряда. Ни положительный, ни отрицательный заряд не могут исчезнуть в отдельности, они могут лишь взаимно нейтрализовать друг друга, если равны по модулю.  
Так элементарные частицы способны превращаться друг в друга. Но всегда при рождении заряженных частиц наблюдается появление пары частиц с зарядами противоположного знака. Может наблюдаться и одновременное рождение нескольких таких пар. Исчезают заряженные частицы, превращаясь в нейтральные, тоже только парами. Все эти факты не оставляют сомнений в строгом выполнении закона сохранения электрического заряда. 

Причина сохранения электрического заряда до сих пор пока неизвестной.

 

1.3. Закон Кулона.

Силы электростатического  взаимодействия зависят от формы  и размеров наэлектризованных тел, а также от характера распределения заряда на этих телах. В некоторых случаях можно пренебречь формой и размерами заряженных тел и считать, что каждый заряд сосредоточен в одной точке. Точечный заряд – это электрический заряд, когда размер тела, на котором этот заряд сосредоточен, намного меньше расстояния между заряженными телами. Приближённо точечные заряды можно получить на опыте, заряжая, например, достаточно маленькие шарики.

Взаимодействие  двух покоящихся точечных зарядов определяет основной закон электростатики – закон Кулона. Этот закон экспериментально установил в 1785 году французский физик Шарль Огюстен Кулон (1736 – 1806). Формулировка закона Кулона следующая:

Сила взаимодействия двух точечных неподвижных заряженных тел в вакууме прямо пропорциональная произведению модулей зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.

Эта сила называется кулоновской. Она направлена вдоль  прямой, соединяющей тела, то есть является центральной. Кулоновская сила может быть как силой притяжения, так и силой отталкивания; положительной считают силу отталкивания. Поэтому закон Кулона можно записать в векторном виде:  
®            q₁q₂         ®  
F₁₂=k————— r₁₂.  
                r₁₂³

Закон Кулона по форме похож на закон всемирного тяготения. Сила взаимодействия двух тел, обладающих массой, пропорциональна произведению их масс, а сила взаимодействия тел, обладающих зарядом пропорциональна произведению их зарядов. Сила обоих взаимодействий обратно пропорциональна квадрату расстояния между телами. Но гравитационные силы - всегда силы притяжения, массы всегда положительны, а кулоновские силы могут быть и силами притяжения и силами отталкивания, так как существуют заряды двух видов: положительные и отрицательные - причём заряды одинакового знака отталкиваются.

Вычисления  при помощи закона Кулона требуют  определения единицы заряда. Но создать  эталон заряда невозможно, так как  утечка заряда с тела неизбежна. Наиболее разумно было бы принять за единицу  измерения заряд электрона, что  и сделано в атомной физике, но во времена появления электростатики об элементарных частицах ещё не знали.

Можно установить единицу измерения заряда через  закон Кулона, это рационально  сделать так, чтобы коэффициент k был равен единице. Именно так  определяется единица заряда в абсолютной (гауссовой) системе единиц. Точечный заряд, действующий в вакууме на равный ему заряд, находящийся на расстоянии 10^-2 м с силой 10-5 Н равен 1 СГСЭq.

В Международной  системе единиц (СИ) единица заряда также является производной. 1 Кулон (Кл) равен заряду, проходящему за 1 секунду через поперечное сечение проводника при силе тока в нём в 1 ампер. Связь между единицами заряда:  
1Кл=3*10⁹ СГСЭ_q.  
e = 1,6*10^-19 Кл = 4,8*10^-10 СГСЭ_q. 

В системе СИ коэффициент k в законе Кулона не равен  единице и имеет размерность:  
k = 9*10⁹ Н*м²/Кл². 

Многие уравнения  электродинамики упрощаются при  записи коэффициента k в виде  
k  = 1/4πε0 ,где ε0=8,85*10^-12 Кл²/(Н*м²) - электрическая постоянная.

 

 

 

1.4. Разделение зарядов.

Проводники  в электрическом поле электризуются под действие электрических сил. На их поверхности появляются свободные электрические заряды. Эти заряды создают внутренне электрическое поле, которое компенсирует внешнее. Заряд внутри проводника помещённого в электрическое поле равен нулю.

 Проводник это такое вещество, в котором присутствуют свободные заряды. Свободные значит ни к чему не привязанные, и могут свободно перемещается в пределах вещества. Типичными проводниками являются металлы. Также к ним относятся электролиты и плазма.

 В металлах  свободными зарядами являются электроны, так как они не привязаны к своим ядрам и могут свободно перемещается. Что они и делают под действием тепла. То есть совершают хаотическое тепловое движение. В электролитах носители зарядов это положительные и отрицательные ионы. В плазме свободными носителями зарядов являются ионы и электроны.

 Когда в  проводнике электрон отрывается  от атома, то атом превращается  в положительно заряженный ион. Таким образом, внутри проводника есть как положительные, так и отрицательные заряды. Но поле внутри него отсутствует, так как заряды компенсируют друг друга.

 При помещении  металлического проводника во  внешнее электрическое поле на  свободные электроны внутри него  начинают действовать силы электрического  поля. Таким образом, что они начинают двигаться в направлении действия силы. Но при этом они все также совершают и тепловое движение. Как известно движение электрических зарядов внутри проводника это электрический ток. Но этот ток будет протекать недолго. До тех пор пока на одной из поверхностей не образуется избыточный положительный заряд. А на другой отрицательный.

  Эти заряды  приведут к образованию внутреннего  электрического поля. Которое будет  стремиться препятствовать внешнему. В конечном счете, внутреннее  поле станет по напряжённости таким же, как и внешнее. Следовательно, внутри проводника эти поля скомпенсируются и напряжённость будет равна нулю. И к этому моменту ток в проводнике прекратится. На самом деле этот процесс происходит очень быстро.

 После образования  внутреннего поля, которое создается зарядами, находящимися на поверхностях проводника. Заряды внутри проводника будут отсутствовать. Так как они перераспределятся и уйдут к стенкам. В этот момент можно вырезать полость внутри проводника и картина поля в этом случае не изменится. Это свойство используется для защиты от электрического поля. Защищаемый объект помещается в замкнутый металлический экран и заземляется. Экран может быть даже не цельным, а выполненным из густой металлической сетки.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Список используемой литературы:

1. Буров Л.И., Стрельченя В.М. Физика от А до Я: учащимся, абитуриентам, репетиторам. – Мн.: Парадокс, 2000. – 560 с.
2. Мякишев Г.Я. Физика: Электродинамика. 10-11 кл.: учеб. Для углубленного изучения физики /Г.Я. Мякишев, А.З. Синяков, Б.А. Слободсков. – М.Ж Дрофа, 2005. – 476 с.
3. Физика: Учеб. пособие для 10 кл. шк. и классов с углубл. изуч. физики/ О. Ф. Кабардин, В. А. Орлов, Э. Е. Эвенчик и др.; Под ред. А. А. Пинского. – 2-е изд. – М.: Просвещение, 1995. – 415 с.
4. Элементарный учебник физики: Учебное пособие. В 3 т./ Под ред. Г.С. Ландсберга: Т. 2. Электричество и магнетизм. – М: ФИЗМАТЛИТ, 2003. – 480 с.