Характеристика электрического заряда и поля

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

1. Электризация тел. Электрический заряд и его виды

2. Строение атома. Ионы

3. Закон сохранения электрического заряда

4. Закон Кулона

5. Электрическое поле. Взаимодействие заряженных тел

6. Напряженность электрического поля

Заключение

Литература

1. Электризация тел. Электрический заряд и его виды

Слова «электричество» и «электрический ток» знакомы сейчас каждому человеку. Электрический ток используется на транспорте, в наших домах, на заводах, фабриках, в сельском хозяйстве и т.д. Но чтобы понять, что он собой представляет, надо ознакомиться сначала с большим кругом явлений, называемых электрическими.

Некоторые из этих явлений были открыты еще в глубокой древности. Древнегреческий ученый Фалес (VII-VI вв. до н. э.) заметил, что натертый шерстью янтарь начинает притягивать к себе легкие кусочки других материалов (соломинки, шерстинки и т. п.). Через две тысячи лет английский физик У. Гильберт (1544-1603) обнаружил, что аналогичной способностью обладает не только натертый янтарь, но и алмаз, сапфир, стекло и некоторые другие материалы. Все эти вещества он назвал электрическими, т. е. подобными янтарю (поскольку греческое слово «электрон» означает «янтарь»).

Впоследствии про тело, которое после натирания приобретало свойство притягивать к себе другие тела, стали говорить, что оно наэлектризовано, или что ему сообщен электрический заряд. А процесс сообщения телу электрического заряда стали называть электризацией.

Физическую величину, называемую электрическим зарядом, обозначают буквой q:

q - электрическийзаряд.

Единица электрического заряда в СИ называется кулоном (1 Кл) в честь французского физика Ш. Кулона (1736-1806). Тело, у которого q не равно нулю, называют заряженным, а тело, у которого q равно нулю, -нейтральным (незаряженным).

Если взять стеклянную палочку и поднести ее к маленьким кусочкам бумаги, том мы увидим, что ничего не произойдет. Это говорит о том, что в обычном состоянии стекло (как и большинство других тел) электрически нейтрально. Теперь потрем палочку о лист бумаги и снова поднесем ее к кусочкам бумаги. Мы увидим, как они тут же к ней притянутся .Это означает, что в результате трения о бумагу палочка наэлектризовалась: ее электрический заряд стал отличным от нуля.

Аналогичное явление можно наблюдать и при расчесывании сухих волос. Притяжение волос к расческе также представляет собой результат электризации.

Приблизив наэлектризованную палочку к тонкой струйке воды, можно убедиться в том, что притягиваться способны не только твердые тела, но и жидкие.

Следует помнить, что в результате электризации трением электрический заряд приобретают оба тела. Например, при соприкосновении стеклянной палочки и резины электризуется и стекло, и резина. Резина, как и стеклянная палочка, начинает притягивать к себе легкие тела.

Чтобы наэлектризовать тела, одного касания, как правило, недостаточно. Тела следует, плотно прижав, тереть друг о друга. Делается это для того, чтобы уменьшить расстояние между телами и одновременно с этим увеличить площадь соприкосновения между ними.

Стеклянная палочка, потертая о шелк, притягивает к себе легкие предметы (например, кусочки бумаги). Те же кусочки будут притягиваться и к эбонитовой палочке, потертой о мех. Означает ли это, что заряды, приобретенные этими телами, ничем не отличаются друг от друга?

Если наэлектризовать трением о мех эбонитовую палочку, подвешенную на нити и приблизим к ней другую такую же палочку, наэлектризованную трением о тот же кусочек меха, то мы увидим, что палочки оттолкнутся . Так как палочки одинаковые и наэлектризовали их трением об одно и то же тело, можно утверждать, что на них были заряды одного рода. Опыт показал, что тела, имеющие заряды одного рода, отталкиваются друг от друга.

В природе существуют два рода электрических зарядов.положительные(+) и отрицательные (-).

2. Строение атома. Ионы

Атом - это мельчайшая частица простого вещества, наименьшая частица химического элемента, которая является носителем его химических свойств.

Атомы состоят из ещё меньших частиц трёх видов. В центре атома имеется ядро, образованное протонами и нейтронами. Вокруг ядра быстро движутся электроны, образуя так называемые электронные облака. Количество протонов в ядре равно количеству электронов, движущихся вокруг него. Количество нейтронов может быть разным.

Масса протона приблизительно равна массе нейтрона. По сравнению с их массами масса электрона пренебрежимо мала. Электроны относятся к так называемым отрицательно заряженным частицам, протоны - к положительно заряженным частицам. Нейтроны - к незаряженным или электронейтральным частицам .Частицы ядра прочно связаны друг с другом особыми ядерными силами. Притяжение электронов к ядру гораздо слабее взаимного притяжения протонов и нейтронов, поэтому электроны (в отличие от частиц ядра - протонов и нейтронов) могут отделяться от своих атомов и переходить к другим.В результате переходов электронов образуются ионы - атомы или группы атомов, в которых число электронов не равно числу протонов. Если ион содержит отрицательно заряженных частиц больше, чем положительно заряженных, то такой ион называют отрицательным. В противоположном случае ион называют положительным.Ионы очень часто встречаются в веществах, например, они есть во всех без исключения металлах. Причина заключается в том, что один или несколько электронов от каждого атома металла отделяются и движутся внутри металла, образуя так называемый электронный газ. Именно из-за потери электронов, то есть отрицательных частиц, атомы металла становятся положительными ионами. Это справедливо для металлов в любом состоянии - твёрдом, жидком или газообразном.

3. Закон сохранения электрического заряда

Самое простое и повседневное явление, в котором обнаруживается факт существования в природе электрических зарядов, - это электризация тел при соприкосновении.

Электрометр. Для обнаружения и измерения электрических зарядов применяется электрометр, состоящий из металлического стержня и стрелки, которая может вращаться вокруг горизонтальной оси. Стержень со стрелкой закреплен в плексигласовой втулке и помещен в металлический корпус цилиндрической формы, закрытый стеклянными крышками. Натиранием о мех или бумагу сообщим электрический заряд эбонитовой палочке, а затем прикоснемся палочкой к стержню электрометра. При соприкосновении заряженного тела со стержнем электрометра электрические заряды распределяются по стержню и стрелке. Силы отталкивания, действующие между одноименными зарядами на стержне и стрелке, вызывают поворот стрелки.

Закон сохранения электрического заряда. Установим на демонстрационном столе два одинаковых электрометра. На стержне первого из них укрепим металлический диск и поставим на него второй такой же диск с ручкой из изолятора. Между дисками поместим прослойку из сукна или другого материала, являющегося изолятором. Взявшись за ручку, совершим несколько движений верхним диском по прослойке и поднимем этот диск.После удаления верхнего диска стрелка первого электрометра отклонится, обнаруживая появление электрического заряда на диске и стержне электрометра. Опыт показывает, что стрелка второго электрометра после прикосновения к стержню вторым диском отклоняется примерно на такой же угол, на какой отклонилась стрелка первого электрометра. Это значит, что в результате электризации при соприкосновении электрические заряды появились одновременно на двух соприкасавшихся телах: на первом диске с сукном и на втором диске.

Теперь выполним последнюю часть опыта: соединим проводником стержни первого и второго электрометров. При этом стрелки обоих электрометров возвращаются в вертикальное положение. Наблюдаемая в опыте взаимная нейтрализация зарядов показывает, что суммарный электрический заряд на двух дисках равен нулю.

Электрические заряды могут появляться на телах не только в результате электризации при соприкосновении тел, но и при других взаимодействиях, например под действием света. Однако в замкнутой системе, в которую не входят извне электрические заряды и из которой не выходят заряды, при любых взаимодействиях тел алгебраическая сумма электрических зарядов всех тел остается постоянной:q1 +q2+q3+.+qn=const

4. Закон Кулона

Законы взаимодействия неподвижных электрических зарядов изучает электростатика. Основной закон электростатики был экспериментально установлен французским физиком Шарлем Кулоном (1736-1806) в 1785 г. В опытах Кулона измерялись силы взаимодействия заряженных шаров. Опыты показали, что модуль силывзаимодействия двух точечных неподвижных заряженных тел прямо пропорционален произведению абсолютных значений зарядови обратно пропорционален квадрату расстояниямежду телами:

Сила направлена вдоль прямой, соединяющей заряженные тела. Она является силой отталкивания при одинаковых знаках зарядов и и силой притяжения при разных знаках.Взаимодействие неподвижных электрических зарядов называют электростатическим или кулоновским взаимодействием.В международной системе за единицу заряда принят кулон (Кл).Кулон - это заряд, проходящий за 1 с через поперечное сечение проводника при силе тока 1 А.

Коэффициент пропорциональности в выражении закона Кулона в системе СИ равен

Вместо коэффициента часто используется коэффициент, называемый электрической постоянной. Электрическая постоянная связана с коэффициентом выражением

Отсюда следует

С использованием электрической постоянной закон Кулона имеет вид

5. Электрическое поле. Взаимодействие заряженных тел

Взаимодействие зарядов по закону Кулона является экспериментально установленным фактом. Однако математическое выражение закона взаимодействия зарядов не раскрывает физической картины самого процесса взаимодействия, не отвечает на вопрос, каким путем осуществляется действие заряда на заряд .

Возможный ответ на этот вопрос давала теория дальнодействия, которая утверждала, что электрические заряды обладают способностью мгновенно действовать друг на друга на расстоянии.

Теория близкодействия, созданная на основе работ английского физика Майкла Фарадея (1791-1867), объясняет взаимодействие электрических зарядов тем, что вокруг каждого электрического заряда существует электрическое поле. Электрическое поле заряда - материальный объект, оно непрерывно в пространстве и способно действовать на другие электрические заряды.

Согласно представлениям теории близкодействия, взаимодействие электрических зарядов и есть результат действия поля заряда на заряд и поля заряда на заряд .

Количественное выражение электростатического взаимодействия в теории дальнодействия и в теории близкодействия имеет один и тот же вид (закон Кулона). Поэтому на основе изучения законов электростатики нельзя сделать обоснованный выбор между этими двумя теориями.

Тот факт, что электрическое поле объективно существует, что оно материально, доказывается опытами с ускоренно движущимися электрическими зарядами.

Пока электрические заряды и неподвижны и находятся в точках А и В , на заряд со стороны заряда действует сила , направленная вдоль прямой АВ (рис. 128). Если в некоторый момент времени заряд

Рис. 128:

Однако в действительности наблюдается другая картина. Если в некоторый момент времени заряд выходит из состояния покоя и движется ускоренно, то изменение силы , действующей со стороны заряда на заряд , наблюдается лишь через интервал времени , определяемый выражением

где - расстояние между зарядами, - скорость света, равная 300000 км/с. Запаздывание изменений взаимодействия электрических зарядов при их ускоренном движении доказывает справедливость теории близкодействия, т.е. существование электрического поля как материального объекта, способного действовать на электрические заряды. Скорость света сесть скорость распространения изменений, возникающих в электрическом поле при ускоренном движении электрических зарядов.

Запаздывание изменений в электрическом поле на расстояниях в несколько метров обнаружить довольно трудно из-за большой скорости их распространения. А в космонавтике эти запаздывания не только легко обнаружимы, но и создают определенные трудности в управлении космическими аппаратами.

Например, команды, отправленные антеннами радиопередатчиков с пункта космической связи, достигали приемных антенн лунохода лишь через 1,3 с после их отправления, так как расстояние от Земли до Луны составляет примерно 400 тыс. км. При осуществлении посадки на поверхность планеты Венера автоматические космические станции "Венера" получали команды с Земли спустя 3,6 мин после их отправления, так как расстояние между Землей и Венерой при этом превышало 60 млн. км.

6. Напряженность электрического поля

Физическая величина, равная отношению силы, с которой электрическое поле действует на точечный электрический заряд, к значению этого заряда, называется напряженностью электрического поля. Обозначив напряженность буквой , запишем

где - заряд, на который действует сила .

Используя закон Кулона и определение понятия напряженности поля, получим выражение для модуля напряженности электрического поля в некоторой точке А на расстоянии от точечного заряда . Если в точкуА поместить точечный заряд , то на него будет действовать сила, по закону Кулона равная

Для нахождения модуля напряженности электрического поля в точке А разделим модуль силы на модуль заряда :

Напряженность электрического поля точечного заряда прямо пропорциональна заряду и обратно пропорциональна квадрату расстояния от заряда до данной точки поля. Она не зависит от заряда , помещенного в данную точку поля, следовательно, является однозначной силовой характеристикой поля в данной точке.

Напряженность электрического поля - векторная величина. За направление вектора напряженности электрического поля принимается направление вектора кулоновской силы , действующей на точечный положительный электрический заряд, помещенный в данную точку поля.

Зная напряженность электрического поля в данной точке поля, можно определить модуль и направление силы , с которой электрическое поле будет действовать на любой электрический заряд в этой точке:

Опыт показывает, что если на электрический заряд действуют одновременно электрические поля нескольких зарядов, то результирующая сила оказывается равной геометрической сумме сил, действующих со стороны каждого поля в отдельности. Это свойство электрических полей означает, что поля подчиняются принципу суперпозиции: если в данной точке пространства различные заряженные частицы создают электрические поля с напряженностями и т.д., то вектор напряженности электрического поля равен сумме векторов напряженностей всех электрических полей (рис. 129):

Рис. 129

Линии напряженности электрического поля. Линией напряженности электрического поля называется линия, касательная к которой в каждой точке совпадает с вектором напряженности .

Линии напряженности электростатического поля начинаются на положительных электрических зарядах и кончаются на отрицательных электрических зарядах или уходят в бесконечность.

Определяя направление вектора в различных точках пространства, можно представить картину распределения линий напряженности электрического поля.

Электрическое поле, в котором напряженность одинакова по модулю и направлению в любой точке пространства, называется однородным электрическим полем.

Приблизительно однородным является электрическое поле между двумя разноименно заряженными плоскими металлическими пластинами.

При равномерном распределении электрического заряда по поверхности площади поверхностная плотность заряда постоянна и равна

Можно доказать, что напряженность электрического поля бесконечной плоскости с поверхностной плотностью заряда a одинакова в любой точке пространства и равна

Формула применяется для расчетов напряженности электрического поля около заряженных тел в том случае, когда форма равномерно заряженной поверхности близка к плоскости и расстояние от точки, в которой определяется напряженность поля, до поверхности тела значительно меньше размеров тела и расстояния до края заряженной поверхности.

Заключение

В электризации всегда участвуют два тела. При этом они оба электризуются. В природе существуют два вида электрических зарядов : положительные и отрицательные. По способности проводить электрические заряды вещества разделяют на проводники и непроводники электричества .Электрический заряд- это физическая величина , которая определяет электрическое взаимодействие заряженных частиц. В замкнутой системе заряженных тел алгебраическая сумма зарядов остаётся постоянной. Электрическое поле заряженного тела действует с определённой силой на любое другое заряженное тело, находящееся в данном поле. Электрическое поле, создаваемое заряженным телом, действует на заряженные тела, которые размещены ближе к нему, сильнее, чем на те, которые находятся на большем расстоянии. Силовые линии электрического поля- это воображаемые линии, показывающие направление силы, которая действует в этом поле на размещённое в нём положительно заряженное маленькое тело. Точечными зарядами называют заряженные тела, размеры которых очень малы по сравнению с расстояниями , на которых эти тела взаимодействуют. Сила взаимодействия между двумя неподвижными точечными электрическими зарядами прямо пропорциональна произведению этих зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.

Литература

1. http://energ2010.ru/Fizika/Fizika_Krivchenko/81_Stroenie_atoma_iony.html

2. https://ru.wikipedia.org/wiki/%DD%EB%E5%EA%F2%F0%E8%F7%E5%F1%EA%E8%E9_%E7%E0%F0%FF%E4

3. http://www.cartalana.ru/phs-18.php

4. https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%97%D0%B0%D0%BA

5. http://dic.academic.ru/dic.nsf/bse/100881/%D0%9A%D1%83%D0%BB%D0%BE%D0%BD%D0%B0

6. http://xreferat.ru/102/681-2-elektricheskoe-pole.html

Размещено на Allbest.ru