На главую страницу

Физика → Методика → Экзамены → Ответы на билеты устных экзаменов → 12. Взаимодействие заряженных тел. Закон Кулона. Закон сохранения электрического заряда


12. Взаимодействие заряженных тел. Закон Кулона. Закон сохранения электрического заряда

1. Электрический заряд. 2. Взаимодействие заряженных тел. 3. Закон сохранения электрического заряда. 4. Закон Кулона. 5. Диэлектрическая проницаемость среды. 6. Электрическая постоянная. 7. Направление кулоновских сил. 8. Распространенные ошибки.

Законы взаимодействия атомов и молекул удается понять и объяснить на основе знаний о строении атома, используя планетарную модель его строения. В центре атома находится положительно заряженное ядро, вокруг которого вращаются по определенным орбитам отрицательно заряженные частицы. Взаимодействие между заряженными частицами называется электромагнитным.

Интенсивность электромагнитного взаимодействия определяется физической величиной — электрическим зарядом, который обозначается  q . Единица электрического заряда — кулон (Кл). 1 кулон — это такой электрический заряд, который, проходя через поперечное сечение проводника за 1 с, создает в нем ток силой 1 А. Способность электрических зарядов как к взаимному притяжению, так и к взаимному отталкиванию объясняется существованием двух видов зарядов. Один вид заряда назвали положительным, носителем элементарного положительного заряда является протон. Другой вид заряда назвали отрицательным, его носителем является электрон. Элементарный заряд равен  e = 1,6 \cdot{} 10^{-19}\, Кл .

Заряд частицы всегда представляется числом, кратным величине элементарного заряда.

Полный заряд замкнутой системы (в которую не пходят заряды извне), т. е. алгебраическая сумма зарядов всех тел, остается постоянным:  q_1 + q_2 + ... + q_n = const . Электрический заряд не создается и не исчезает, а только переходит от одного тела к другому. Этот экспериментально установленный факт называется законом сохранения электрического заряда. Никогда и нигде в природе не возникает и не исчезает электрический заряд одного знака. Появление и исчезновение электрических зарядов на телах в большинстве случаев объясняется переходами элементарных заряженных частиц — электронов — от одних тел к другим.

Электризация — это сообщение телу электрического заряда. Электризация может происходить, например, при соприкосновении (трении) разнородных веществ и при облучении. При электризации в теле нозникает избыток или недостаток электронов.

В случае избытка электронов тело приобретает отрицательный заряд, в случае недостатка — положительный.

Законы взаимодействия неподвижных электрических зарядов изучает электростатика.

Основной закон электростатики был экспериментально установлен французским физиком Шарлем Кулоном и читается так: модуль силы взаимодействия двух точечных неподвижных электрических зарядов в вакууме прямо пропорционален произведению величин этих зарядов и обратно пропорционален квадрату расстояния между ними:

 F = k \frac{q_1 q_2}{r^2} ,

где  q_1 и  q_2 — модули зарядов,  r — расстояние межд ними,  k — коэффициент пропорциональности, который зависит от выбора системы единиц, в СИ  k = 9 \cdot 10^9 Н \cdot{} м^2/Кл^2 .

Величина, показывающая, во сколько раз сила взаимодействия зарядов в вакууме больше, чем в среде, называется диэлектрической проницаемостью среды  \varepsilon . Для среды с диэлектрической проницаемостью  \varepsilon закон Кулона записывается следующим образом:

 F = k \frac{q_1 q_2}{\varepsilon r^2} ,

В СИ коэффициент  k принято записывать следующим образом:  k = l/4\pi \varepsilon_0 , где  \varepsilon_0 — электрическая постоянная. Она численно равна  \varepsilon = 8, 85 \cdot{} 10^{-12} Кл^2/Н \cdot{} м^2 .

С использованием электрической постоянной закон Кулона имеет вид:

 F = \frac{1}{4 \pi \varepsilon_0} \frac{q_1 q_2}{r^2} ,

Взаимодействие неподвижных электрических зарядов называют электростатическим или кулоновским взаимодействием. Кулоновские силы можно изобразить графически (рис. 14, 15).

Кулоновская сила направлена вдоль прямой, соединяющей заряженные тела. Она является силоЙ притяжения при разных знаках зарядов и силой отталкивания при одинаковых знаках зарядов.

Распространенные ошибки

1. Раскрывая физический смысл понятия напряженности электрического поля, абитуриенты правильно указывают на то, что силовое действие поля можно обнаружить с помощью заряда, вносимого в это поле (пробного заряда), но не все могут объяснить, почему проьный заряд должен быть достаточно малым.

Дело в том, что большой пробный заряд может внести изменения в исследуемое поле. Например, если заряды, создающие исследуемое поле, расположено на проводнике. то может случиться, что под воздействием электрического поля пробного заряда заряды проводника переместяться, что приведет к изменению их поля.

2. Поступающие плохо различают формулу, являющуюся определением напряженности поля:

 \vec E = \vec F / q ,                    (1)

и формулы, устанавливающей связь напряженности с другими величинами. Дают, например, такое определение: напряженностью называется величина

 E = \frac {|q|}{4 \pi \varepsilon \varepsilon_0 r^2} .                   (2)

Но ведь формула (2) не является определяющей, по ней вычисляется напряженность для точечного заряда. Определяющей является формула (1), согласно которой дается следующее определение: напряженность электрического поля — это векторная физическая величина, характеризующая силовое действие электрического поля на вносимые в него электрические заряды, равная отношению силы, с которой поле действует на положительный точечный заряд, помещенный в данную точку, к этому заряду.

3. Некоторые экзаменующиеся затрудняются ответить на вопрос, почему сила взаимодействия зарядов, находящихся в диэлектрике (например, в воде), меньше, чем в вакууме.

Отвечая на этот вопрос, нужно пояснить, что вследствие поляризации диэлектрика в нем возникает электрическое поле связанных зарядов, напряженность которого направлена противоположно напряженности внешнего поля, поэтому в диэлектрике напряженность электрического поля уменьшается в  \varepsilon раз, где  \varepsilon — диэлектрическая проницаемость среды. Соответственно в  \varepsilon раз уменьшается и сила взаимодействия точечных зарядов в однородном диэлектрике (в воде, например, в 81 раз).

Оставить комментарий
Сообщить об ошибке