Электрические явления - это явления, которые происходят в природе с участием электрических зардов: их рождением, взаимодействием и движением.

Электрический заряд - это характеристика способности частицы учавствовать в электромагнитном взаимодействии (взаимодейство-вать с другими заряженными частицами или с полярными диэлектриками).

Электрический заряд бывает двух видов : положительный и отрицательный (раньше он назывался стеклянный и смоляной).

В атомном мире существуют три важных закона сохранения, которые выполняются как в повседневной жизни, так и в огромной окружающей нас Вселенной.

К ним относятся законы сохранения импульса, сохранения момента количества движения и сохранения энергии.

Все три закона устанавливают соотношения между массой и скоростью — хорошо знакомыми нам величинами. Но атом и образующие его частицы, оказывается, подчиняются еще и четвертому закону сохранения, касающемуся совершенно незнакомого нам явления. Уже в 600 году до новой эры, благодаря исследованиям греческого философа Фалеса Милетского, было известно, что натертая ископаемая смола — янтарь — обладает свойством притягивать легкие предметы. Теперь принято говорить, что натертый янтарь получает электрический заряд или «электризуется». Слово «электричество» произошло от греческого elektron — янтарь.

В 1773 году французский физик Шарль Франсуа Дюфе продемонстрировал существование двух разных видов электрического заряда, один из которых был обнаружен на натертом янтаре, а другой — на натертом стекле.

По результатам опытов Дюфе пришёл к предположению о существовании двух видов электрического заряда. Опыты показали: одноименные электрические заряды отталкиваются, разноименные — притягиваются.

В сороковых годах XVIII века американец Бенджамин Франклин, человек широкого кругозора, начал эксперименты с электричеством. Он заметил, что если тела, несущего один вид заряда, коснуться телом, несущим равный по величине заряд другого знака, заряды нейтрализуют друг друга, и оба тела становятся электрически незаряженными. Как будто электрическая жидкость перелилась оттуда, где она была в избытке, туда, где ее не хватало. В результате в обоих местах установился какой-то средний уровень.

Франклин считал, что тело, содержащее электрическую жидкость в избытке, несет положительный электрический заряд, а тело, испытывающее ее недостаток, несет отрицательный электрический заряд. Он не мог сказать, какое тело содержит избыток, а какое недостаток, поэтому он произвольно принял заряд натертого стекла за положительный, а натертого янтаря — за отрицательный. Этих обозначений с того времени и придерживаются.

Последующие поколения физиков, изучавших поведение электрически заряженных тел, пришли к выводу, что суммарный электрический заряд замкнутой системы постоянен.

Действительно, когда натирают янтарь, электрический заряд не возникает из ничего. Если янтарь натирают рукой, отрицательный электрический заряд, полученный янтарем компенсируется точно таким же положительным зарядом, который получает рука. Сумма этих двух зарядов равна нулю. Когда электрический заряд с руки уходит в землю и растекается по всей земной поверхности, кажется, что он исчезает. Создается иллюзия «возникновения» заряда на янтаре. Мы рассмотрели уже аналогичные случаи с положительными и отрицательными импульсами или с моментами количества движения по и против часовой стрелки. Следовательно, можно сформулировать четвертый закон сохранения: сохранение электрического заряда.

Существует четыре вида частиц ( первые два вида - фундаментальные частицы), которые могут нести на себе электрический заряд:

1. Электроны - (- е), это частицы, которые обладают отрицательным элементарным зарядом, равным - 1,6•10^-19 Кл. Электроны отвечают за заряд атома и заряд всего вещества. Масса электрона 9,1•10^-31 кг.

2. Протоны - (+е), это частицы, которые обладают положительным элементарным зарядом, равным +1,6•10^-19 Кл. Количество протонов отвечает за род вещества и заряд ядра. Число протонов в ядре численно равно порядковому номеру элемента в таблице Менделеева.Масса протона 1,67•10^-27 кг.

3. Положительные ионы - это атомы, у которых забрали один или несколько электронов.

4.Отрицательные ионы -это атомы, которые "захватили" один или несколько электронов.

Атомы любого элемента состоят из протонов и нейтронов, которые находятся в ядре, и электронов, которые вращаются вокруг ядра на орбитах.

В нейтральном атоме количество протонов (Z) равно количеству электронов (N_e ):

Z = N_e

А - массовое число, равное сумме протонов и нейтронов: А = Z + N_n

Так как нейтроны не имеют заряда, то заряд атома можно найти по формуле

q = Z (+e) + N_e (-e) = 0 - у нейтральных атомов.

Если 1 или несколько электронов забрать у атома, то заряд станет равным:

q = Z (+e) + ( N_e - 1 )(-e) = + 1,6•10^-19 Кл - если забрали 1 электрон. Такой атом станет называться положительным ионом,а заряд такого иона будет равен + 1,6•10^-19 Кл.

q = Z (+e) + ( N_e - n )(-e) = n (+ 1,6•10^-19) Кл - если забрали n электронов.

Если 1 или несколько электронов дать атому, то заряд станет равным:

q = Z (+e) + ( N_e + 1 )(-e) = - 1,6•10^-19 Кл - если дали 1 электрон.

q = Z (+e) + ( N_e + n )(-e) = n (- 1,6•10^-19 )Кл - если дали n электронов.

!!!!! Приходить к атому или уходить от него легко могут только электроны, так как они находятся на орбитах, составляющих край атома - электронную оболочку.

Явления приобретения телом (его атомами) электрического заряда называется ЭЛЕКТРИЗАЦИЕЙ.

Электризация бывает трёх видов:

1. Электризация трением (самый распространённый метод) - при трении оба тела получают одинаковый по величине, но разный по знаку заряд. Например:

Эбонит (смола) потёртый о шерсть заряжается отрицательно, а шерсть - положительно.

Стекло потёртое о шёлк или бумагу заряжается положительно, а шёлк (бумага) - отрицательно.

2. Электризация ударом. При ударе тело может сбросить 1 или несколько электронов и зарядиться положительно.

3. Электризация прикосновением ( распространённый метод). В этом случае до прикосновения одно из тел или оба должны быть заряжены. При прикосновении будет происходит перераспределение заряда так, что новые заряды, приобретённые телами, будут подчиняться закону сохранения: сумма зарядов до прикосновения ( q₀₁ , q₀₂, q₀₃,.......) будет равна сумме зарядов после (q₁, q₂, q₃, ......) соприкосновения:

q₀₁ + q₀₂ + q₀₃ +...... = q₁+ q₂ + q₃ +....... - закон сохранения заряда для любых

заряженных тел (важно запомнить, что заряды у тел после соприкосновения будут одинаковых знаков).

!!!!! Если соприкасающиеся тела имеют одинаковые размеры поверхности, то после соприкосновения у этих тел заряды станут одинаковыми не только по знаку, но и по величине и тогда закон сохранения заряда примет вид: q₀₁ + q₀₂ + q₀₃ +...... = q₁+ q₂ + q₃ +....... = n *q₁ , где n - количество оинаковых тел, которые после соприкосновения получили одинаковый заряд.

Между частицами (телами), имеющими электрический заряд действуют силы, которые называют электрическими или силами Кулона, в честь учёного, который опытным путём в 1875 г. с помощью крутильных весов доказал зависимость между величиной взаимодействующих зарядов и силой их взаимодействия

.

В различных средах, например в воздухе и в воде, два точечных заряда взаимодействуют с разной силой:

1. В вакууме или воздухе:

2. В среде, с диэлектрической проницаемостью ε:

!!!Относительная диэлектрическая проницаемость среды характеризует это различие. Это известная табличная величина. Для воздуха она равна 1.

Постоянная k определяется как , где

Направление силы Кулона:

Согласно третьему закону Ньютона, силы одной природы возникают попарно, равны по величине, противоположны по направлению. Если взаимодействуют два неодинаковых заряда, сила, с которой больший заряд действует на меньший (В на А) равна силе, с которой меньший действует на больший (А на В).

!!! Важно запомнить, если взаимодействуют несколько заряженных тел, то среди них один (или несколько) обязательно будет (будут) источником силы действия, а другой пробным зарядом, который на себе испытывает это действие.

Пример №1: Четыре одинаковых точечных заряда q = 10 нКл расположены в вершинах квадрата, сторона которого а = 10 см. Найти силу, действующую со стороны трех зарядов на четвертый.

Решение: Каждый заряд q взаимодействует с тремя другими зарядами q, два из которых находятся на расстоянии а от рассматриваемого, а один – на расстоянии r = 2^-0,5 a. Пусть четвёрвый заряд будет пробным, тем, кто на себе испытывает действие трёх других зарядов. На рисунке указаны силы, с которыми первый заряд -F₁, второй заряд -F₂ и третий заряд -F₃ действуют на четвёртый.

Силы F₁ и F₃ равны по величине, а их сумма находится по теореме Пифагора : Равнодействующая всех трёх сил (проекции векторной суммы этих сил на диагональ квадрата) :

Пример №2: Два одинаковых шарика подвешены в воздухе на нитях так, что их поверхности соприкасаются. После того как каждому шарику был сообщен заряд q = 0,4 мкКл, шарики разошлись на угол 2a = 60°. Найти массу шариков, если расстояние от центров шариков до точки подвеса l=0,2 м.

На каждый шарик действуют: сила натяжения нити T, сила тяжести mg и сила кулоновского отталкивания F, где r = 2l sin a. При равновесии шарика суммы проекций сил на вертикальное и горизонтальное направления равны нулю:

Исключив из этих уравнений Т и учитывая формулы для F и r, получим m = 6,3 г.

!!! Закон Кулона можно применять для точечных зарядов и для заряженных тел сферической формы.

!!! Если точечный заряд взаимодействует с металлической стенкой, находящейся на расстоянии r от заряда, то на её поверхности индуци-руется заряд равный по модулю, но противоположного знака, а в формуле силы электрического взаимодействия, взаимодействие стены и точечного заряда можно заменить на взаимодействие двух точечных зарядов, но находящихся на расстоянии 2r.

Вернуться к конспектам урока