Взаимодействие заряженных тел и формулировка закона Кулона

Взаимодействие заряженных тел Физика

Одним из главных правил электростатики, пожалуй, таким же важным, как сохранение заряда, является закон Кулона. Взаимодействие заряженных тел происходит из-за существующего явления природы. Французский учёный смог не только подтвердить его существование, но и найти способ количественного расчёта силы, возникающей при электризации веществ. Это позволило вывести науку на новый уровень и предопределить дальнейшее её развитие.

Общие сведения

Раздел физики, занимающийся изучением взаимодействия неподвижных зарядов, называется электростатикой, а электродинамика изучает магнитные и электрические явления. Магнетизм и электричество — это нераздельные явления. С точки зрения физики, существуют два основных вида взаимодействия:

  • гравитационное, описываемое силой тяжести;
  • электромагнитное, характеризуемое трением и упругостью.

К янтарю прилипают кусочки бумаги

В Древней Греции были популярны различные украшения. Некоторые из них делались из «солнечного камня» — электрона. Около 600 лет до н. э. известный философ Фалес Милетский обратил внимание, что если янтарное украшение вытереть шерстяной тканью, то к нему начинают приставать пылинки и кусочки бумаги. Своё открытие исследователь назвал янтарностью, но объяснить явление природы философ не мог.

Из физики известно, что всё на свете взаимодействует со всем. Например, камни, лежащие в руке, притягиваются не только к ней, но и друг к другу, к Земле и к окружающим предметам. Но это явление незаметное из-за небольшой массы тел. Такое взаимодействие называется гравитационным. Оказывается, что этого рода притяжение из всех взаимодействий самое слабое. Однако можно создать условия, при которых предметы начинают притягиваться друг к другу. Причём это притяжение становится видимым. Оно получило название электростатическое.

Учёным стало известно, что на предметах может появляться нечто, что вызывает взаимодействие. Это что-то назвали электрическим зарядом. Сказать, что он собой представляет, физики не могут.

Природа так устроена, что если на телах появляется это нечто, то они начинают участвовать в электростатическом взаимодействии. Таким образом, электрическим зарядом назвали присутствие того, что вызывает между ними электрические силы.

Как оказалось, заряды существуют всегда. При этом их число в замкнутой системе постоянное. Отличается электростатическое взаимодействие от гравитационного тем, что первое вызывает не только притягивание, но и отталкивание. Связано это с тем, что при возникновении явления происходит не рождение зарядов, а их разделение.

Свойства заряженных тел

Для того чтобы наэлектризовать тела, нужно обеспечить между ними контакт. Сделать это довольно просто путём трения. Шарль Дюфэ во время экспериментов обнаружил, что при таком действии происходит изменение состояния обоих участвующих тел. При этом по отношению к третьему веществу вели они себя по-разному. Он узнал, что наэлектризованные тела могут не только притягиваться, но и отталкиваться.

Свойства заряженных тел

Учёный сделал вывод, что существует два вида зарядов. По виду веществ, использующихся в опытах, они были названы стеклянными и эбонитовыми. Физики, проводя аналогию с математическими действиями, условились их называть положительными и отрицательными. На основании открытия существования разных родов зарядов были установлены два принципа:

  • если тела обладают одноимёнными зарядами, то они отталкиваются друг от друга;
  • вещества стремятся притянуться один к другому, если их заряды разноимённые.

Как позже выяснилось, что носителем заряда, участвующим в переносе, является электрон. Это отрицательная частица, способная двигаться в теле. Таким образом, при электризации не появляются заряды, а просто происходит их разделение. Электроны перемещаются на одно из взаимодействующих тел и создают там избыток отрицательных частиц. В это же время вещество, которое их потеряло, начинает испытывать в них недостаток — заряжается положительно. При этом количество частиц остаётся неизменным.

Изучение разделения помогло открыть закон сохранения электрических зарядов. Он гласит, что их алгебраическая сумма равняется нулю. Но это утверждение справедливо лишь для изолированной системы — той, на которую не действуют сторонние внешние силы. Математическое описание закона выглядит так: |q1| + |q2| = 0, где q — величины зарядов, взятые по модулю.

Как оказалось, закон сохранения выполняется как для макромира, так и для микромира. Например, нейтрон в ядре находится в стабильном состоянии. Если его отделить, то через несколько минут он распадётся на протон p+, электрон e и антинейтрино V. В итоге: q = qp + qe + qv = 0.

Закон сохранения электрических зарядов

Следует отметить, что протон и электрон являются носителями элементарного заряда, то есть самого маленького по величине из возможного в природе: e = 1,6 * 10-19 кулонов [Кл]. Для частиц он одинаковый по величине и отличается только знаком.

Величина заряда

В физике количественно величину заряда измеряют в кулонах. Если взять два заряда по одному кулону и разместить их на расстоянии один метр друг от друга, то сила их взаимодействия составит 9 * 109 ньютон [Н].

В некоторых случаях можно заставить двигаться заряды направлено. В этом случае говорят о появлении электрического тока. За одно и то же время через поперечное сечение проводника количество прошедших частиц может быть разным. Поэтому ввели такое понятие, как сила тока. По сути, этот параметр определяет скорость движения зарядов. Находится он по формуле: I = q / t. Измеряется сила в единицах, получивших название ампер [А].

При протекании электрического тока происходят следующие явления:

Электрический ток

  • тепловые — выделение света, нагрев;
  • химические — протекание в жидкости сопровождается порождением реакций;
  • магнитные — оказывается влияние на дипольные моменты.

Из указанных действий в качестве эталона кулона было решено использовать последнее действие. Если ток протекает по двум параллельным проводникам в одну сторону, то они притягиваются, а если в другую — отталкиваются.

Можно представить два тонких бесконечно длинных провода, находящихся в вакууме, которые размещены на расстоянии один метр, при этом по ним течёт ток, равняющийся 1А. В этом случае между проводниками возникнет сила, равная 2 * 10-7 Н на каждый метр длины. Из определения силы тока можно выразить заряд: q = I * t. Значит, один кулон равняется произведению ампера на секунду. Другими словами, это заряд, протекающий через поперечное сечение проводника с током силой в один ампер за единицу времени.

Для обнаружения электрических зарядов используется устройство, построенное в 1600 году Уильямом Гилбертом — электроскоп. Измеритель относится к простейшим приборам, поэтому его точность в определении величины является низкой, но вместе с тем он позволяет узнать знак заряда того или иного тела. Существует его более совершённая модель — электромер.

Опыт Кулона

Точечный заряд является аналогом материальной точки в области механики. С его помощью могут быть достаточно точно изображены взаимодействия заряженных тел. Правильно ли понимается процесс влияния заряженных тел друг на друга, в 1782 году решил проверить французский инженер и исследователь Шарль Огюстен де Кулон.

Его экспериментальная работа и проведённый по ней анализ позволил сформулировать закон, позже названный его именем. Он гласит, что два точечных неподвижных заряда, расположенные в вакууме, осуществляют взаимодействие силами, лежащими на одной прямой, проходящей через них, которые зависят от произведения их модулей и квадрата расстояния между ними. В математическом виде закон Кулона записывается так: F = k * (|q1| * |q2| / r2), где k — постоянная, равняющаяся 9 * 109 [Н*м2 / Кл].

Изучение того, почему осуществляется взаимодействие, и как его можно оценить количественно, позволило учёному сделать важные для развития науки выводы:

  • сила влияния зарядов друг на друга прямо пропорциональна величинам их модулей;
  • квадрат расстояния между взаимодействующими частицами обратно пропорционален силе.

Опыт Кулона

Так как Кулон был военным инженером, в основном он занимался изучением деформации через силы трения и кручения. Для проведения экспериментов изобретатель придумал крутильные весы. Состояли они из серебряной проволоки, прикреплённой к вращающемуся диску. К нему была приделана стрелка и шкала. С другого конца проволоки крепилось коромысло, изготовленное из шёлковой нити, покрытой сургучом. На планке располагался шарик.

Через отверстие в корпусе Кулон с помощью диэлектрического стержня опускал внутрь устройства заряженный шар и соприкасал его с установленной сферой в приборе. Так как они были одинакового размера, то заряд перераспределялся поровну и был одноимённый. Из-за этого коромысло разворачивалось и занимало определённое положение.

После соприкосновения Кулон измерял угол отклонения. Поворачивая стержень, инженер добивался уменьшения угла в два раза. При этом он отмечал, что крутить ручку приходилось на большее значение. В результате многочисленных опытов учёный установил, что при уменьшении расстояния между телами в два раза угол закручивания изменялся в четыре раза. Полученная информация и позволила Кулону вывести один из главных законов взаимодействия тел.

Автор статьи
Алексей Гузанов
Репетитор, закончил Куровскую гимназию, которая входит в топ-100 школ Московской области, с золотой медалью. Являюсь победителем олимпиад по математике и информатике. Успешно сдал ЕГЭ на высокие баллы.
Задать вопрос
Оцените статью
Na5.club
Добавить комментарий

20 + = 24

Adblock
detector