Електрически заряди, тяхното взаимодействие. Какво е такса? Видове заряди и тяхното взаимодействие
1. Ако стъклена пръчка се потърка в коприна или хартия, тогава тя ще придобие способността да привлича леки тела, като парчета хартия, косми и т.н. Същият ефект може да се наблюдава, ако ебонитова пръчка, натрита в козината, се поднесе към светлинни предмети . Телата, които в резултат на триене придобиват способността да привличат други тела, се наричат наелектризирани или заредени, а явлението придобиване от тела електрически заряднаречена електрификация.
Като окачите леки топки от фолио на две нишки и докоснете всяка от тях със стъклена пръчка, натъркана върху коприна, можете да видите, че топките ще се отблъскват. Ако след това докоснете едната топка със стъклена пръчка, натъркана върху коприна, а другата с ебонитна пръчка, натъркана върху козина, тогава топките ще се привлекат една към друга. Това означава, че стъклените и ебонитните пръчки по време на триене придобиват заряди с различни знаци, т.е. В природата има два вида електрически заряди с противоположни знаци: положителни и отрицателни. Прието е, че стъклена пръчка, натрита с коприна, придобива положителен заряд, а ебонитова пръчка, натрита с козина, придобива отрицателен заряд.
От описания опит също следва, че заредените тела взаимодействат помежду си. Това взаимодействие се нарича електрически. В същото време обвинения със същото име, т.е. зарядите с еднакъв знак се отблъскват взаимно, а противоположните заряди се привличат.
Устройството на електроскоп се основава на феномена на отблъскване на еднакво заредени тела - устройство, което ви позволява да определите дали дадено тяло е заредено (фиг. 77), и електрометър, устройство, което ви позволява да оцените стойността на на електрически заряд (фиг. 78).
Ако заредено тяло докосне пръта на електроскопа, тогава листата на електроскопа ще се разпръснат, тъй като ще придобият заряд със същия знак. Същото ще се случи и със стрелката на електрометъра, ако зареденото тяло докосне пръчката му. В този случай, колкото по-голям е зарядът, толкова по-голям е ъгълът, под който стрелката ще се отклони от пръта.
2. от прости експериментиот това следва, че силата на взаимодействие между заредените тела може да бъде по-голяма или по-малка в зависимост от големината на придобития заряд. По този начин можем да кажем, че електрическият заряд, от една страна, характеризира способността на тялото за електрическо взаимодействие, а от друга страна, е количество, което определя интензивността на това взаимодействие.
Зарядът се обозначава с буквата \\ (q \) , висулката се приема като единица заряд: \ \ ([q] \) \u003d 1 C.
Ако докоснете един електрометър със заредена пръчка и след това свържете този електрометър с метален прът към друг електрометър, тогава зарядът на първия електрометър ще бъде разделен между двата електрометъра. След това можете да свържете електрометъра към още няколко електромера и зарядът ще бъде споделен между тях. По този начин електрическият заряд има свойството на делимост. Границата на делимост на заряда, т.е. Най-малкият заряд, който съществува в природата, е зарядът на електрона. Зарядът на електрона е отрицателен и равен на 1,6·10 -19 С. Всеки друг заряд е кратен на заряда на електрона.
3. Електронът е частица, която е част от атом. В историята на физиката има няколко модела на структурата на атома. Един от тях, който дава възможност да се обяснят редица експериментални факти, включително феномена на електризация, е предложен от Е. Ръдърфорд. Въз основа на своите експерименти той заключава, че в центъра на атома има положително заредено ядро, около което отрицателно заредени електрони се движат по орбити. В неутрален атом положителният заряд на ядрото е равен на общия отрицателен заряд на електроните. Ядрото на атома се състои от положително заредени протони и неутрални частици неутрони. Зарядът на протона е равен по модул на заряда на електрона. Ако един или повече електрони бъдат отстранени от неутрален атом, тогава той става положително зареден йон; Когато към един атом се добавят електрони, той се превръща в отрицателно зареден йон.
Познаването на структурата на атома позволява да се обясни явлението наелектризиране чрез триене. Електроните, слабо свързани с ядрото, могат да бъдат отделени от един атом и прикрепени към друг. Това обяснява защо на едно тяло може да се образува липса на електрони, а на друго - техният излишък. В този случай първото тяло се зарежда положително, а второто - отрицателно.
4. Ако разтриете незаредени стъклени и ебонитни плочи една в друга и след това ги поставите на свой ред в куха топка, поставена върху пръта на електрометър, тогава електрометърът ще запише наличието на заряд както върху стъклената, така и върху ебонитната плоча. В този случай може да се покаже, че плочите ще имат заряд с противоположни знаци. Ако и двете плочи се вкарат в топката, стрелката на електрометъра ще остане на нула. Подобно нещо може да се получи, ако потъркате ебонитна пръчка върху козината: козината, като пръчката, ще бъде заредена, но със заряд с обратен знак.
В резултат на триене електроните се преместиха от стъклената плоча към ебонитовата, като стъклената плоча се оказа положително заредена (липса на електрони), а ебонитовата - отрицателно (излишък на електрони). Така по време на електрификация зарядът се преразпределя, двете тела се наелектризират, придобивайки заряди с противоположни знаци, равни по абсолютна стойност.
При което алгебричната сума на електрическите заряди преди и след наелектризирането остава постоянна: \(q_1+q_2+…+q_n=const \) .
В описания експеримент \(q_n \) алгебричната сума на зарядите на плочата преди и след наелектризирането е равна на нула.
Написаното равенство изразява основния закон на природата - закон за запазване на електрическия заряд. Като всяка физически закон, има определени граници на приложимост: важи за затворена система от тела, т.е. за набор от тела, изолирани от други обекти.
Част 1
1. Ако масивна тежест се постави върху изолационна плоча и се свърже с електрометър и след това се удари няколко пъти с парче козина, тежестта ще придобие отрицателен заряд и стрелката на електрометъра ще се отклони. В този случай парче козина ще придобие заряд
1) равно на нула
2) положителен, равен по абсолютна стойност на заряда на тежестта
3) отрицателна, равна на заряда на тежестта
4) положителен, по-голям по модул от заряда на тежестта
2. Две точкови заряди ще се привличат взаимно, ако зарядите
1) еднакви по знак и произволни по модул
2) еднакви по знак и задължително еднакви по модул
3) различни по знак, но задължително еднакви по модул
4) различни по знак и всякакви по модул
3. Чертежите изобразяват три двойки еднакви светлинни заредени топки, окачени на копринени нишки. Зарядът на една от топките е показан на фигурите. В какви случаи зарядът на втората топка може да бъде отрицателен?
1) само А
2) А и Б
3) само Б
4) А и Б
4. По време на експеримент за изследване на взаимодействието на метална топка, окачена на копринена нишка, с положително заредена пластмасова топка, разположена върху изолираща стойка, ученик скицира наблюдавано явление в тетрадка: нишката с топката се отклонява от вертикалата под ъгъл \(\алфа \) . Въз основа на фигурата може да се твърди, че металната топка
1) има положителен заряд
2) има отрицателен заряд
3) не е таксуван
4) или не е зареден, или има отрицателен заряд
5. Отрицателно заредено тяло отблъсква лека топка от алуминиево фолио, окачена на нишка. Зареждане на топката:
А. положителен
Б. отрицателен
B. е нула
Следните твърдения са верни:
1) само Б
2) B и C
3) А и Б
4) само Б
6. Метална топка 1, монтирана на дълга изолираща дръжка и имаща заряд \ (+ q \) , се привежда в контакт последователно с две от същите изолирани незаредени топки 2 и 3, разположени върху изолационни опори.
Какъв заряд ще придобие топка 2 в резултат на това?
1) 0
2) \(\frac(q)(4) \)
3) \(\frac(q)(3)\)
4) \(\frac(q)(2)\)
7. Капка със заряд \(+e \) отделена от капка с електрически заряд \(-2e \) . Какъв е електрическият заряд на останалата част от капката?
1) \(-e\)
2) \(-3e\)
3) \(+e\)
4) \(+3e\)
8. Метална чиния, който имаше отрицателен заряд \ (-10e \) , загуби четири електрона при осветяване. Какъв е зарядът на плочата?
1) \(+6e\)
2) \(+14e\)
3) \(-6e\)
4) \(-14e\)
9. Водна капка, която има електрически заряд \(+5e \), се присъединява към кайл със заряд \(-6e \) . Какъв ще бъде зарядът на комбинирания спад?
1) \(+e\)
2) \(-e\)
3) \(+11e\)
4) \(-11e\)
10. Фигурата показва точково заредени тела. Телата A и B имат еднакъв отрицателен заряд, а тялото C има еднакъв положителен заряд. Какъв е модулът и посоката на резултантната сила, действаща върху заряда B от зарядите A и C?
1) \(F=F_A+A_B \) ; посока 2
2) \ (F \u003d F_A-A_B \) ; посока 2
3) \(F \u003d F_A + A_B \) ; направление 1
4) \ (F \u003d F_A-A_B \) ; направление 1
11. От списъка с твърдения по-долу изберете двете верни и запишете номера им в таблицата.
1) Силата на взаимодействие между електрическите заряди е толкова по-голяма, колкото по-голямо е разстоянието между тях.
2) Когато две тела се наелектризират чрез триене, общият им заряд е нула.
3) Силата на взаимодействие между електрическите заряди е толкова по-голяма, колкото по-големи са зарядите.
4) При свързване на две заредени тела общият им заряд ще бъде по-малък от алгебричната сума на зарядите им преди свързването.
5) Когато ебонитовата пръчка се потърка в козината, само ебонитовата пръчка придобива заряд.
12. В процеса на триене в коприна стъклената линийка придоби положителен заряд. Как се е променил броят на заредените частици върху линийката и коприната в този случай, при условие че не е настъпил обмен на атоми по време на триене? Установете съответствие между физическите величини и техните възможни променипри което. Запишете в таблицата избраните числа под съответните букви. Числата в отговора могат да се повтарят.
ФИЗИЧЕСКО КОЛИЧЕСТВО
А) броят на протоните върху коприната
Б) броя на протоните върху стъклена линийка
Б) броят на електроните върху коприната
СЪЩНОСТ НА ПРОМЯНАТА
1) увеличен
2) намаля
3) не се е променило
Отговори
Среща се в природата физически процесине винаги се обясняват с действието на законите на молекулярно-кинетичната теория, механиката или термодинамиката. Има и електромагнитни сили, които действат на разстояние и не зависят от масата на тялото.
Техните прояви са описани за първи път в писанията на древните гръцки учени, когато те привличат светлина, малки частици от отделни вещества с кехлибар, носени върху вълна.
Историческият принос на учените в развитието на електродинамиката
Експериментите с кехлибар бяха подробно проучени от английски изследовател Уилям Гилбърт. IN последните години XVI век, той прави доклад за работата си и обекти, които могат да привличат други тела на разстояние, той обозначава с термина "електрифицирани".
Френският физик Шарл Дюфе определя съществуването на заряди с противоположни знаци: някои са оформени чрез триене на стъклени предмети върху копринен плат, докато други са оформени със смола върху вълна. Така ги наричаше: стъкло и смола. След приключване на изследванията Бенджамин Франклинвъвежда концепцията за отрицателни и положителни заряди.
Чарлз Кулон реализира възможността за измерване на силата на зарядите с дизайна на торсионна везна по собствено изобретение.
Робърт Миликен, въз основа на поредица от експерименти, установи дискретния характер на електрическите заряди на всяко вещество, доказвайки, че те се състоят от определен брой елементарни частици. (Да не се бърка с друга концепция на този термин - фрагментация, прекъсване.)
Трудовете на тези учени послужиха като основа на съвременните знания за процесите и явленията, протичащи в електрическите и магнитни полетасъздадени от електрически заряди и тяхното движение, изучавани от електродинамиката.
Определение на зарядите и принципите на тяхното взаимодействие
Електрическият заряд характеризира свойствата на веществата, които им осигуряват способността да създават електрически полета и да взаимодействат в електромагнитни процеси. Нарича се още количество електричество и се определя като физична скаларна величина. За обозначаване на заряда се използват символите "q" или "Q", а за измерванията се използва единицата "Coulomb", кръстена на френския учен, разработил уникалната техника.
Той създава устройство, в което са използвани топки, окачени на тънка нишка от кварц. Те бяха ориентирани в пространството по определен начин и позицията им беше записана спрямо градуирана скала с равни деления.
Чрез специален отвор в капака към тези топки беше доведена друга топка с допълнителен заряд. Възникващите сили на взаимодействие принудиха топките да се отклонят, обърнаха рокера си. Големината на разликата между показанията на скалата преди и след въвеждането на заряда позволи да се оцени количеството електроенергия в тестваните проби.
Заряд от 1 висулка се характеризира в системата SI с ток от 1 ампер, преминаващ през напречното сечение на проводника за време, равно на 1 секунда.
Съвременната електродинамика разделя всички електрически заряди на:
положителен;
отрицателен.
Когато взаимодействат помежду си, те имат сили, чиято посока зависи от съществуващата полярност.
Зарядите от един и същи тип, положителни или отрицателни, винаги се отблъскват в противоположни посоки, опитвайки се да се отдалечат един от друг възможно най-далеч. А зарядите от противоположни знаци имат сили, които се стремят да ги сближат и обединят в едно цяло.
Принцип на суперпозиция
Когато има няколко заряда в определен обем, за тях действа принципът на суперпозиция.
Значението му е, че всеки заряд по определен начин, според описания по-горе метод, взаимодейства с всички останали, като се привлича от противоположния и отблъсква от същия тип. Например положителен заряд q1 се влияе от силата на привличане F31 към отрицателен заряд q3 и отблъскване F21 - от q2.
Резултантната сила F1, действаща върху q1, се определя от геометричното събиране на векторите F31 и F21. (F1= F31+ F21).
Същият метод определя ефективните резултатни сили F2 и F3 върху зарядите q2 и q3, съответно.
С помощта на принципа на суперпозицията се стигна до заключението, че за определен брой заряди в затворена система между всички нейни тела действат постоянни електростатични сили и потенциалът във всяка конкретна точка в това пространство е равен на сумата от потенциалите от всички отделно прилагани такси.
Действието на тези закони се потвърждава от създадените уреди електроскоп и електрометър, които имат общ принципработа.
Електроскопът се състои от две еднакви венчелистчета от тънко фолио, окачени в изолирано пространство върху проводима нишка, прикрепена към метална топка. В нормално състояние зарядите не действат върху тази топка, така че венчелистчетата висят свободно в пространството вътре в колбата на устройството.
Как може да се прехвърля заряд между телата
Ако заредено тяло, например пръчка, се донесе до топката на електроскопа, тогава зарядът ще премине през топката по проводящата нишка към венчелистчетата. Те ще получат еднакъв заряд и ще се отдалечат един от друг на ъгъл, пропорционален на приложеното количество електричество.
Електромерът има същото принципно устройство, но има малки разлики: едното венчелистче е фиксирано постоянно, а второто се отдалечава от него и е снабдено със стрелка, която ви позволява да четете градуираната скала.
Междинните носители могат да се използват за прехвърляне на заряд от отдалечено неподвижно и заредено тяло към електромер.
Измерванията, направени с електрометър, нямат висок клас на точност и въз основа на тях е трудно да се анализират силите, действащи между зарядите. Торсионните везни на Кулон са по-подходящи за тяхното изследване. Те използваха топки с диаметри, много по-малки от разстоянието им една от друга. Те имат свойствата на точкови заряди - заредени тела, чиито размери не влияят на точността на устройството.
Измерванията, направени от Кулон, потвърдиха предположението му, че точковият заряд се прехвърля от заредено тяло към същото по свойства и маса, но незаредено по такъв начин, че да бъде равномерно разпределен между тях, като намалява с коефициент 2 при източника. По този начин беше възможно да се намали големината на заряда два, три и още няколко пъти.
Силите, които съществуват между фиксирани електрически заряди, се наричат кулонови или статични взаимодействия. Те се изучават от електростатиката, която е един от клоновете на електродинамиката.
Видове носители на електрически заряд
Съвременната наука разглежда електрона като най-малката отрицателно заредена частица, а позитрона като положителна. Те имат еднаква маса от 9,1 10-31 кг. Елементарната частица протон има само един положителен заряд и маса 1,7·10-27 kg. В природата броят на положителните и отрицателните заряди е балансиран.
В металите движението на електроните създава, а в полупроводниците носителите на неговите заряди са електрони и дупки.
В газовете токът се образува от движението на йони - заредени неелементарни частици (атоми или молекули) с положителни заряди, наречени катиони или отрицателни - аниони.
Йоните се образуват от неутрални частици.
Положителен заряд се създава върху частица, която е загубила електрон под действието на мощен електрически разряд, излагане на светлина или радиоактивност, поток от вятър, движение на водни маси или редица други причини.
Отрицателните йони се образуват от неутрални частици, които допълнително са получили електрон.
Използването на йонизация в медицински целии живота
Изследователите отдавна са забелязали способността на отрицателните йони да влияят на човешкото тяло, да подобряват консумацията на кислород във въздуха, да го доставят по-бързо до тъканите и клетките и да ускоряват процеса на окисление на серотонина. Всичко това в комплекс значително повишава имунитета, подобрява настроението, облекчава болката.
Първият йонизатор, използван за лечение на хора, се нарича полилеи Чижевски, в чест на съветския учен, създал устройство, което има благоприятен ефект върху човешкото здраве.
В съвременните електрически уреди за работа у дома можете да намерите вградени йонизатори в прахосмукачки, овлажнители, сешоари, сушилни ...
Специални йонизатори на въздуха пречистват състава му, намаляват количеството прах и вредни примеси.
Йонизаторите на водата са в състояние да намалят количеството химикали в нейния състав. Използват се за почистване на басейни и резервоари, насищане на водата с медни или сребърни йони, които намаляват растежа на водорасли, унищожават вируси и бактерии.
8.1. Два вида електрически заряди
Ако някои частици (или тела) имат способността да участват в електрически взаимодействия, тогава има смисъл да им се припише някаква характеристика, която ще покаже това тяхно свойство. Тази характеристика се нарича електрически заряд. Телата, които участват в електрически взаимодействия, се наричат заредени. По този начин терминът "електрически зареден" е синоним на израза "участва в електрически взаимодействия". Защо са някои елементарни частициимат електрически заряд, а други нямат - никой не знае!
Допълнителни разсъждения, базирани на експериментални данни, имат за цел да конкретизират тази характеристика, ако е възможно, да я направят количествена.
Историята на изучаването на електрическите явления е дълга и изпълнена с драма, ...
След това описваме серия от прости експерименти, които могат да се извършват у дома „в кухнята“ или в училищната лаборатория. Когато ги обясняваме, ще използваме знанията, получени от много учени в продължение на няколкостотин години, в резултат на многобройни и разнообразни експерименти.
Сега ще възпроизведем в много опростена форма някои етапи от експериментални изследвания, изводите от които послужиха като основа съвременна теорияелектрически взаимодействия.
За да провеждате експерименти, първо трябва да научите как да получавате заредени тела. Най-простият методпостигане на тази цел - наелектризиране чрез триене. Например стъклото е добре наелектризирано (т.е. придобива електрически заряд), ако се натрие с коприна. Появата на електрически заряд се проявява във факта, че такава пръчка започва да привлича парчета хартия, косми, прахови частици и др.
Може също така да се установи, че много други вещества също се наелектризират от триене. Знаейки резултата предварително, като втори "източник" на електричество избираме ебонитна пръчка, носена с вълна. Нека наречем електрическия заряд, който се появява върху стъклото - "стъкло", а заряда върху ебонита "смола".
След това имаме нужда от "устройство", което може да реагира на наличието на електрически заряд. За да направите това, окачваме лека чаша, усукана от парче фолио на конец. Лесно се проверява дали тази чаша не е заредена - за да не донесем до нея молив, ръка, учебник по физика и т.н., няма ефект върху чашата.
Нека донесем заредена стъклена електрическа пръчка към незаредена чаша (фиг. 141). Стъклото е привлечено от нея, като другите малки тела. От ъгъла на отклонение на нишката (при известна маса на чашата и дължина на нишката) може дори да се изчисли силата на привличане. Ако стъклото не влезе в контакт със заредена пръчка, то остава незаредено, което лесно може да се провери експериментално. Ако стъклото докосне заредената пръчка, то рязко ще се отблъсне от нея. Ако сега извадим пръчката, чашата ще се зареди, което може да се провери, като доближим до нея друго незаредено тяло. Например, то ще бъде привлечено от вдигнатата ръка.
Подобни резултати се получават, ако заменим стъклена пръчка, натъркана върху коприна, с ебонитна пръчка, натъркана върху вълна.
Така в тези експерименти разликата между електричеството от „стъкло“ и „смола“ не се появява.
Все още няма да обсъждаме защо незаредена чаша се привлича от заредена пръчка, а заредена чаша се привлича от незаредена ръка. Единственото заключение, което можем да направим от експеримента е, че в резултат на контакт стъклото е придобило електрически заряд. Следователно електрическият заряд може да се предаваот едно тяло в друго.
Вземете две еднакви чаши от фолио, закачете ги една до друга на нишки с еднаква дължина. Ако чашите се зареждат по един и същи начин (или с помощта на чаша, или с помощта на ебонитна пръчка), тогава чашите се отблъскват (фиг. 142). Ако чашите са заредени с различни заряди, тогава те се привличат.
Така доказваме, че има поне два вида електрически заряди.
За по-нататъшни експерименти ще заменим "мерителните чаши" с по-модерно устройство, наречено електрометър (фиг. 143). Устройството се състои от метален прът и лека метална стрелка, която може да се върти хоризонтална ос. Това устройство е поставено в метална кутия, затворена със стъклени капаци. Ъгълът на отклонение на показалеца може да се измери с помощта на скала. Прътът на стрелата е фиксиран в тялото с плексигласова втулка. Пръчката със стрелата играе същата роля като фолийните чаши в предишните експерименти - когато заредено тяло докосне пръчката, зарядът ще потече към пръчката и към стрелката, което ще доведе до нейното отклонение. Освен това посоката на отклонение на стрелката не зависи от вида на отчетения заряд.
За по-нататъшни експерименти ще използваме два еднакви електроскопа. Нека заредим един от тях, използвайки например стъклена пръчка. След това ще започнем да свързваме прътите на електромерите с помощта на различни материали. При свързване на пръчките с дървени, незаредени стъклени, ебонитни, пластмасови пръчици; текстилни нишки, не настъпват промени - един електрометър остава зареден, вторият незареден. Ако свържете пръчките с метална жица, тогава и двата електрометъра се зареждат. Освен това отклонението на стрелката на първоначално заредения електрометър ще намалее (фиг. 144).
От резултатите от този експеримент могат да се направят два важни извода: първо, някои материали (метали) могат да предават електрически заряд, други (стъкло, пластмаса, дърво) не могат; второ, таксата може да се промени, да бъде повече или по-малко. Същите експерименти могат да бъдат повторени с помощта на втория тип („смола“) електричество. Резултатите ще бъдат същите - материали, които провеждат "стъклено" електричество, провеждат "смолисто" електричество. Ако "стъкленият" заряд се преразпредели между електрометрите, тогава зарядът "смола" също се държи.
И така, можем да разделим материалите на две групи - тези, които предават електрически заряд (тези материали се наричат проводници), и тези, които не предават електрически заряд (те се наричат изолатори). Между другото, прътът на електрометъра е отделен от тялото с помощта на изолираща втулка, така че електрическият заряд да не се „разпространява“ върху тялото, а да остане върху пръта и стрелката.
Различните отклонения на иглата на електрометъра ясно показват, че силата на взаимодействие между заредените тела може да бъде различна, следователно големината на зарядите може да бъде различна. Следователно зарядът може да се характеризира с някаква числена стойност (а не, както казахме по-рано - „е или не е“).
Друг интересен резултат - ако докоснете пръта на зареден електрометър с ръка, тогава електрометърът се разрежда - зарядът изчезва. Дори въз основа на тези качествени наблюдения е възможно да се обясни къде изчезва зарядът при докосване на ръката. Човешкото тялое проводник, така че зарядът може да потече в човешкото тяло.
За да се потвърди тази идея за количествения характер на заряда, може да се проведе следният експеримент. Зареждаме един електромер - отбелязваме ъгъла на отклонение на стрелката. Свързваме го към втория електрометър - ъгълът на отклонение на стрелката ще намалее значително. Премахваме контакта между устройствата и ръката, разреждаме втория електрометър, след което отново свързваме електромерите - отклонението на стрелката отново ще намалее. Така електрическият заряд може да бъде разделен на части. Можете също така да проведете обратния експеримент - постепенно добавяне на заряд към електрометъра.
„Смесете“ сега двата налични вида електричество. За да направите това, зареждаме един електромер със „стъклено“ електричество, а вторият със „смола“, опитвайки се да гарантираме, че първоначалните отклонения на стрелките на двата електрометъра са приблизително еднакви. След това свързваме прътите на електромерите с метална жица (на изолираща дръжка, за да не изтичат зарядите). Резултатът от този експеримент може да бъде изненадващ - и двата електроскопа бяха разредени или "стъкленото" и "смолистото" електричество се неутрализират, взаимно се компенсират (фиг. 145). Следователно е възможно възлагане различни видовезареждат различни алгебрични знаци - наречете единия заряд положителен, втория отрицателен. Разумно е да се предположи, че силата на взаимодействие зависи от общия заряд. Ако първоначално електромерите са били зареждани с различни видове електричество, но в различни степени(отклоненията на стрелките са различни), а след това те са свързани, тогава ще настъпи само частична компенсация на зарядите - стрелките ще бъдат отклонени, но в много по-малка степен.
Исторически зарядът "стъкло" се нарича положителен, а зарядът "смола" става отрицателен.
Описаното от нас устройство, електрометърът, позволява само качествена оценка на величината на зарядите, с него е невъзможно да се извършват количествени измервания. Опитайте, например, да донесете ръката си до зареден електромер (без да докосвате пръта) - отклонението на стрелката ще се увеличи! Доближете заредена пръчка до незареден прът, без да докосвате пръта - стрелката ще се отклони, въпреки че електрометърът не е зареден. Ще се върнем към обяснението на тези факти по-късно.
По време на този урокще продължим да се запознаваме с "китовете", върху които стои електродинамиката - електрическите заряди. Ще проучим процеса на електрификация, ще разгледаме принципа, на който се основава този процес. Нека поговорим за два вида заряди и да формулираме закона за запазване на тези заряди.
В последния урок вече споменахме ранни експерименти в електростатиката. Всички те се основават на триенето на едно вещество в друго и по-нататъшното взаимодействие на тези тела с малки предмети (прахови частици, парчета хартия ...). Всички тези експерименти се основават на процеса на наелектризиране.
Определение.Електрификация– разделяне на електрически заряди. Това означава, че електроните от едно тяло преминават в друго (фиг. 1).
Ориз. 1. Разделяне на електрически заряди
До откриването на теорията за два фундаментално различни заряда и елементарния заряд на електрона се смяташе, че зарядът е някаква невидима свръхлека течност и ако е върху тялото, значи тялото има заряд и обратно.
Първите сериозни експерименти за наелектризиране на различни тела, както вече беше споменато в предишния урок, са извършени от английския учен и лекар Уилям Гилбърт (1544-1603), но той не успява да наелектризира метални тела и смята, че електрифицирането на металите беше невъзможно. Това обаче се оказва невярно, което по-късно доказва руският учен Петров. Следващият обаче важна стъпкав изследването на електродинамиката (а именно откриването на разнородни заряди) е направено от френския учен Шарл Дюфе (1698-1739). В резултат на своите експерименти той установява наличието на, както той ги нарича, заряди от стъкло (триене на стъкло върху коприна) и смола (кехлибар върху кожа).
Известно време по-късно бяха формулирани следните закони (фиг. 2):
1) подобни заряди се отблъскват взаимно;
2) противоположните заряди се привличат.
Ориз. 2. Взаимодействие на зарядите
Означението за положителен (+) и отрицателен (-) заряд е въведено от американския учен Бенджамин Франклин (1706-1790).
По договореност е обичайно да се нарича положителният заряд, който се образува върху стъклена пръчка, ако се търка с хартия или коприна (фиг. 3), и отрицателният заряд върху ебонит или кехлибарена пръчка, ако се търка с козина (фиг. 4).
Ориз. 3. Положителен заряд
Ориз. 4. Отрицателен заряд
Откритието на Томсън за електрона най-накрая изясни на учените, че по време на наелектризирането към тялото не се предава електрически флуид и не се прилага заряд отвън. Има преразпределение на електроните като най-малки носители на отрицателен заряд. В областта, където идват, техният брой става по-голям от броя на положителните протони. Така се появява некомпенсиран отрицателен заряд. Обратно, в района, където те напускат, има недостиг на отрицателни заряди, необходими за компенсиране на положителните. По този начин зоната е положително заредена.
Не само бяха двама различни видовезаряди, но и два различни принципа на тяхното взаимодействие: взаимното отблъскване на две тела, заредени с еднакви заряди (със същия знак) и съответно привличането на противоположно заредени тела.
Електрификацията може да се извърши по няколко начина:
- триене
- докосване;
- удар;
- насочване (чрез влияние);
- облъчване;
- химично взаимодействие.
Наелектризиране чрез триене и наелектризиране чрез контакт
Когато стъклена пръчка се потърка в хартия, тя се зарежда положително. При контакт с метална стойка пръчката предава положителен заряд на хартиеното перо, а листенцата й се отблъскват (фиг. 5). Този експеримент предполага, че еднаквите заряди се отблъскват взаимно.
Ориз. 5. Наелектризиране при допир
В резултат на триене върху козината ебонитът придобива отрицателен заряд. Довеждайки тази пръчка до хартиеното перо, виждаме как венчелистчетата се привличат към нея (виж фиг. 6).
Ориз. 6. Привличане на противоположни заряди
Електрификация чрез влияние (индукция)
Да поставим линийка на стойка със султан. След като електрифицирате стъклената пръчка, я приближете до линийката. Триенето между линийката и стойката ще бъде малко, така че можете да наблюдавате взаимодействието на заредено тяло (пръчици) и тяло, което няма заряд (линийка).
По време на всеки експеримент зарядите се разделят, не се появяват нови заряди (фиг. 7).
Ориз. 7. Преразпределение на таксите
Така че, ако сме съобщили електрически заряд на тялото чрез някой от горните методи, ние, разбира се, трябва да оценим величината на този заряд по някакъв начин. За това се използва електрометър, който е изобретен от руския учен М.В. Ломоносов (фиг. 8).
Ориз. 8. М.В. Ломоносов (1711-1765)
Електрометърът (фиг. 9) се състои от кръгла кутия, метален прът и светлинен прът, който може да се върти около хоризонтална ос.
Ориз. 9. Електрометър
Информирайки заряда на електрометъра, във всеки случай (както за положителни, така и за отрицателни заряди) зареждаме както пръчката, така и иглата с еднакви заряди, в резултат на което иглата се отклонява. Зарядът се оценява от ъгъла на отклонение и (фиг. 10).
Ориз. 10. Електрометър. Ъгъл на отклонение
Ако вземете електрифициран стъклен прът, докоснете го до електрометъра, тогава стрелката ще се отклони. Това показва, че към електрометъра е предаден електрически заряд. По време на същия експеримент с ебонитова пръчка този заряд се компенсира (фиг. 11).
Ориз. 11. Компенсация на заряда на електрометъра
Тъй като вече беше посочено, че не възниква създаване на заряд, а само преразпределение, има смисъл да се формулира законът за запазване на заряда:
В затворена система алгебричната сума на електрическите заряди остава постоянна(фиг. 12). Затворена система е система от тела, от която зарядите не излизат и в която не влизат заредени тела или заредени частици.
Ориз. 13. Закон за запазване на заряда
Този закон напомня на закона за запазване на масата, тъй като зарядите съществуват само заедно с частиците. Много често таксите по аналогия се наричат количество електроенергия.
До края законът за запазване на зарядите не е обяснен, тъй като зарядите се появяват и изчезват само по двойки. С други думи, ако се раждат заряди, тогава само веднага положителни и отрицателни и равни по абсолютна стойност.
В следващия урок ще се спрем по-подробно на количествените оценки на електродинамиката.
Библиография
- Тихомирова С.А., Яворски Б.М. Физика (основно ниво) - М.: Мнемозина, 2012.
- Gendenstein L.E., Dick Yu.I. Физика 10 клас. - М.: Илекса, 2005.
- Касянов В.А. Физика 10 клас. - М.: Дропла, 2010.
- Интернет портал "youtube.com" ()
- Интернет портал "abcport.ru" ()
- Интернет портал "planeta.edu.tomsk.ru" ()
Домашна работа
- Страница 356: № 1-5. Касянов В.А. Физика 10 клас. - М.: Дропла. 2010 г.
- Защо иглата на електроскопа се отклонява, когато се докосне до заредено тяло?
- Едната топка е положително заредена, другата е отрицателно заредена. Как ще се промени масата на топките, когато се докоснат?
- * Доближете зареден метален прът към топката на зареден електроскоп, без да го докосвате. Как ще се промени отклонението на стрелката?
1. Елементарен електричен заряд; два вида електрически заряди; законът за запазване на електрическия заряд; закон на Кулон; електрическо поле: напрегнатост на електрическото поле; линии на напрежение на електрическо поле; принцип на суперпозиция на електрически полета.
Законите на взаимодействие на атомите и молекулите могат да бъдат разбрани и обяснени въз основа на знанията за структурата на атома, като се използва планетарният модел на неговата структура. В центъра на атома има положително заредено ядро, около което отрицателно заредени частици се въртят в определени орбити. Взаимодействието между заредените частици се нарича електромагнитно. Интензивността на електромагнитното взаимодействие се определя от физичната величина - електрически заряд, което се означава с q.
Единицата за електрически заряд е висулката (C).
1 висулка- това е такъв електрически заряд, който, преминавайки през напречното сечение на проводника за 1 s, създава в него ток от 1 A.
Способността на електрическите заряди както за взаимно привличане, така и за взаимно отблъскване се обяснява със съществуването на два вида заряди. Един вид заряд се нарича положителен, носителят на елементарния положителен заряд е протонът. Друг вид заряд се нарича отрицателен, неговият носител е електрон. Елементарният заряд е Едноименните заряди се отблъскват, а противоположните заряди се привличат.
Зарядът на частицата винаги се представя като кратно на елементарния заряд.
Законът за запазване на електрическия заряд
:
Общият заряд на затворена система (който не включва зарядите отвън), т.е. алгебричната сума на зарядите на всички тела, остава постоянен: q 1 + q 2 + ... + q n = const.
Електрически заряд не се създава и не изчезва, а само преминава от едно тяло към друго.
Електрификацияе съобщението на тялото за електрически заряд. Електрификацията може да възникне например при контакт (триене) на разнородни вещества и чрез облъчване. При наелектризиране в тялото възниква излишък или недостиг на електрони.
При излишък на електрони тялото придобива отрицателен заряд, при недостиг - положителен.
Закон на Кулон: модулът на силата на взаимодействие на два точкови неподвижни електрически заряда във вакуум е право пропорционален на произведението от величините на тези заряди и обратно пропорционален на квадрата на разстоянието между тях. r е разстоянието между тях, k е коефициентът на пропорционалност, в зависимост от избора на системата от единици, в SI
Стойността, показваща колко пъти силата на взаимодействие на зарядите във вакуум е по-голяма от тази в среда, се нарича диелектрична проницаемост на средата ε. За среда с диелектрична проницаемост e законът на Кулон се записва, както следва:
В SI коефициентът k обикновено се записва, както следва:
- електрическа константа, числено равна на
2. слънчева система. Звезди и източници на тяхната енергия. Модерни възгледиза произхода и еволюцията на слънцето и звездите.
1. Слънце -пламтяща огнена топка, тя е или изключително активна, или относително спокойна. Температурата на повърхността на Слънцето е около 6000 градуса: при тази температура всички известни вещества се превръщат в пара. Температурата в центъра на Слънцето е много по-висока: около 15 милиона градуса.
В слънчевия спектър са открити повече от шестдесет химични елемента. Предполага се, че външните слоеве на Слънцето имат същия химичен състав както по времето на формирането му: около 71% водород, 27% хелий и 2% други елементи
Слънцето е условно разделено на четири области:
- ядро,
- лъчиста зона,
- конвекционна зона
- атмосфера.
Слънчевото ядро е атомна електроцентрала, където слънчева енергиягенерирани в реакции ядрен синтез. Източникът на енергия на Слънцето са реакциите на термоядрен синтез. В дълбините на Слънцето водородните ядра се превръщат в хелиеви ядра: в резултат на верига от три последователни реакции четири водородни ядра се превръщат в едно хелиево ядро. Радиантната зона е зоната, в която отделните кванти пътуват стотици хиляди години, докато достигнат фотосферата. В зоната на конвекция циркулиращите газови потоци пренасят топлината от горещата вътрешност навън. Атмосферата условно се разделя на фотосфера, хромосфера и слънчева корона.
земни планетиНазовете четирите най-близки до Слънцето планети: Меркурий, Венера, Земя и Марс.
Тези планети се характеризират със сравнително малки размери и маса и доста висока средна плътност. обща собственостпланетите от земната група също могат да се считат, че са много бедни на спътници.
Меркурий (най-близката планета до Слънцето)). Меркурий получи името си от древния римски бог пратеник. Той се върти около Слънцето по-бързо от всички планети със скорост от 47,9 km / s. Меркурий е подобен на Луната с множеството си кратери, планини и морета. Температурата на екватора на Меркурий варира от 700 K на обяд до 90 K в полунощ.
Меркурий има следи от атмосфера: записват се хелий, аргон, кислород, въглерод и ксенон, но няма атмосфера.
Венера (2 от слънцето)Има атмосфера, и то много плътна: налягането на повърхността на Венера е 90 пъти по-високо от налягането на повърхността на Земята. Атмосферата на Венера се състои главно от въглероден двуокис,
Повърхността на Венера е суха и скалиста, приблизително 60% от повърхността е заета от сравнително плоски хълмисти равнини с добре дефинирани кратери. Около 16% от повърхността са безводни котловини и долини.
Венера е дори по-гореща планета от Меркурий и поради плътната атмосфера на нея практически няма дневни и годишни температурни колебания - близо до повърхността й температурата винаги е около 450 0 С.
Особеността на Венера е, че по време на дневното си въртене тя се върти в посока, обратна на посоката на дневното въртене на всички други планети, с изключение на Уран. Тя се върти по-бавно от всички други планети, като прави едно завъртане около оста си само за 243 земни дни.
Земя (3 от слънцето)- единствената планета, в атмосферата на която има много кислород: тя се появи поради жизнената дейност на растенията.
Характеристика на Земята сред другите планети от земната група е наличието на голям естествен спътник - Луна.
Луната е много подобна на Меркурий по това, че също (и по същите причини) няма атмосфера и следователно повърхността й е осеяна с огромни ударни кратери. Интересна особеност на Луната е, че тя винаги е обърната към Земята с една страна.
Марс (4 от слънцето)има две характеристики, подобни на Земята: първо, периодът на нейното въртене около оста е малко повече от 24 часа, тоест почти съвпада със земния ден, и второ, оста на въртене е наклонена към равнината на нейната орбита приблизително по същия начин. като Земята, така че на Марс, както и на Земята, има четири сезона.
Атмосферата на Марс е твърде тънка, за да блокира вредните ултравиолетови лъчи на слънцето. Съставът му е приблизително следният: 95% въглероден диоксид, 2-3% азот, 1-2% аргон, 0,1-0,4% кислород, както и следи от водни пари и
червеникавият вид на планетата (поради което е наречена Марс, богът на войната) се дължи на наличието на голям брой железни оксиди в марсианската кора.
Гигантски планети.
Гигантските планети нямат твърда повърхност, защото те химичен състави плътност наподобяват звезди, а голямата им маса е причината за нагряването на ядрата до температура над 10 000 С. Всички планети гиганти имат спътници (броени на десетки), а някои от тях надвишават размерите на Луната.
Юпитер (5 от Слънцето)е кръстен на митологичния римски цар на боговете и господар на вселената Юпитер е огромна, бързо въртяща се течна топка, покрита с гъста атмосфера, съставена предимно от водород и хелий. Юпитер е източник на енергия: той излъчва почти два пъти повече енергия, отколкото получава от Слънцето. Източникът на енергията на Юпитер е продължаващото компресиране под въздействието на гравитационните сили. Така че Юпитер в известен смисъл е неуспешна (поради твърде "малка" маса) звезда.
Сатурн (6 от слънце)особеност е луксозният му пръстен, открит от Галилео. Сатурн е многопластова топка с постепенен преход от течност към газ, състояща се главно от водород и хелий. близо Горна границатемпературата на облаците е около 86 К, а в центъра на екваториалната зона достига 92 К. Там пламтят мълнии и искрят полярни сияния.
Уран (7 от Слънце)има всички свойства на гигантските планети, разликата му се състои в това, че аксиалното въртене на Уран се извършва в посока, обратна на посоката на въртене на всички други планети. Уран се върти "легнал на една страна", така че през годината има значителна промяна в условията на осветяване на планетата.
Нептун (8 от слънцето)най-отдалечената от Слънцето от гигантските планети, така че температурата е много ниска (по-малко от - 200 0 C). Нептун има 3 луни.