Електрически заряди, тяхното взаимодействие. Какво е такса? Видове заряди и тяхното взаимодействие
1. Ако стъклена пръчка се потърка върху коприна или хартия, тя ще придобие способността да привлича леки предмети, като парчета хартия, коса и т.н. Същият ефект може да се наблюдава, ако ебонитова пръчка, натрита върху козина, се доближи до леки предмети. Телата, които в резултат на триене придобиват способността да привличат други тела, се наричат наелектризирани или заредени, а явлението придобиване от телата 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, топките ще се привличат една друга. Това означава, че стъклените и ебонитните пръчки при триене придобиват заряди с различни знаци, т.е. В природата има два вида електрически заряди с противоположни знаци: положителни и отрицателни. Съгласихме се да приемем, че стъклена пръчка, натъркана върху коприна, придобива положителен заряд, а ебонитова пръчка, натъркана върху кожа, придобива отрицателен заряд.
От описания опит също следва, че заредените тела взаимодействат помежду си. Това взаимодействие се нарича електрически. В този случай такси със същото име, т.е. зарядите с еднакъв знак се отблъскват, а зарядите с противоположни знаци се привличат.
Феноменът на отблъскване на еднакво заредени тела се основава на дизайна на електроскоп - устройство, което ви позволява да определите дали дадено тяло е заредено (фиг. 77), и електрометър, устройство, което ви позволява да оцените стойността на електрически заряд (фиг. 78).
Ако докоснете пръта на електроскоп със заредено тяло, листата на електроскопа ще се разпръснат, тъй като ще придобият заряд със същия знак. Същото ще се случи и със стрелката на електрометър, ако докоснете пръчката му със заредено тяло. 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 количеството придобит заряд. По този начин можем да кажем, че електрическият заряд, от една страна, характеризира способността на тялото да взаимодейства електрически, а от друга страна, е количество, което определя интензивността на това взаимодействие.
Зарядът се обозначава с буквата \(q \) , единицата за заряд е висулка: \([q] \) = 1 C.
Ако докоснете един електрометър със заредена пръчка и след това свържете този електрометър с метална пръчка към друг електрометър, тогава зарядът на първия електрометър ще бъде разделен между двата електрометъра. След това можете да свържете електрометъра към още няколко електрометъра и зарядът ще бъде разделен 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 позволява да се обяснят редица експериментални факти, включително феномена на електрификация, 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 абсолютна стойност на заряда на електрона. Ако един или повече електрони бъдат отстранени от неутрален атом, той става положително зареден йон; Ако 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, които са слабо свързани с ядрото, могат да се отделят от един атом и да се прикрепят към друг. Това обяснява защо на едно тяло може да се образува липса на електрони, а на друго - излишък. В този случай първото тяло става положително заредено, а второто - отрицателно.
4. Ако потъркате незаредени стъклени и ебонитни плочи една в друга и след това ги поставите една по една в куха топка, поставена върху пръта на електрометъра, 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 преминаха от стъклената плоча към ебонитовата плоча и стъклената плоча се оказа положително заредена (липса на електрони), а ебонитовата плоча отрицателно (излишни електрони). По този начин по време на електрификация възниква преразпределение на заряда; и двете тела се наелектризират, придобивайки заряди с еднаква величина и противоположни знаци.
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 плочите преди и след наелектризирането е равна на нула.
Написаното равенство изразява основния закон на природата - закон за запазване на електрическия заряд. Като всеки физически закон, има определени граници на приложимост: важи за затворена система от тела, т.е. за колекция 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 парчето козина ще придобие заряд
1) равно на нула
2) положителен, равен по големина 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 всякакви по абсолютна стойност
2) еднакви по знак и задължително еднакви по абсолютна стойност
3) различни по знак, но задължително еднакви по абсолютна стойност
4) различни по знак и всякакви по абсолютна стойност
3. Снимките показват три чифта 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. Ученик, по време на експеримент за изследване на взаимодействието на метална топка, окачена на копринена нишка, с положително заредена пластмасова топка, разположена върху изолираща стойка, скицира наблюдаваното явление в тетрадката си: нишката с топката се отклонява от вертикалата на ъгъл \(\alpha \) . 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
Б. равно на 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 последователно в контакт с две подобно изолирани незаредени топки 2 и 3, разположени върху изолационни стойки.
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 беше зарядът на чинията?
1) \(+6e\)
2) \(+14e\)
3) \(-6e\)
4)\(-14e\)
9. Водната капка, която имаше електрически заряд \(+5e\), беше съединена от кил със заряд \(-6e\) . Какъв ще бъде зарядът на комбинирания спад?
1) \(+e\)
2) \(-e\)
3) \(+11e\)
4) \(-11e\)
10. Фигурата показва точково заредени тела. Тялото A и B имат еднакъв отрицателен заряд, а тялото B има еднакъв положителен заряд. Какви са големината и посоката на резултантната сила, действаща върху заряд B от заряди A и B?
1) \(F=F_A+A_B \) ; посока 2
2) \(F=F_A-A_B\) ; посока 2
3) \(F=F_A+A_B\) ; направление 1
4) \(F=F_A-A_B\) ; посока 1
11. От списъка с твърдения по-долу изберете две верни и запишете номерата им в таблицата.
1) Колкото по-голямо е разстоянието между тях, толкова по-голяма е силата на взаимодействие между електрическите заряди.
2) При наелектризиране от триене на две тела общият им заряд е нула.
3) Силата на взаимодействие между електрическите заряди е толкова по-голяма, колкото по-големи са зарядите.
4) Когато две заредени тела са свързани, общият им заряд ще бъде по-малък от алгебричната сума на зарядите им преди свързването.
5) Когато една ебонитова пръчка се трие в козината, само ебонитовата пръчка придобива заряд.
12. В процеса на триене в коприната стъклената линийка придобива положителен заряд. Как се е променил броят на заредените частици върху линийката и коприната, при условие че по време на триенето не е настъпил обмен на атоми? Установете съответствие между физическите величини и техните възможни променипри което. Запишете избраните числа в таблицата под съответните букви. Числата в отговора могат да се повтарят.
ФИЗИЧЕСКО КОЛИЧЕСТВО
А) брой протони върху коприната
Б) броя на протоните върху стъклена линийка
Б) брой електрони върху коприната
ХАРАКТЕР НА ПРОМЯНАТА
1) увеличен
2) намаля
3) не се е променило
Отговори
Среща се в природата физически процесине винаги се обясняват със 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 трудовете на древногръцки учени, когато те привличат светлина, малки частици от отделни вещества с кехлибар, втрит върху вълна.
Исторически принос на учените в развитието на електродинамиката
Експериментите с кехлибар бяха подробно проучени от английски изследовател Уилям Гилбърт. IN последните годиниПрез 16-ти век той прави доклад за работата си и обозначава обекти, способни да привличат други тела на разстояние, с термина „електрифицирани“.
Френският физик Шарл Дюфе определя съществуването на заряди с противоположни знаци: някои са образувани чрез триене на стъклени предмети върху копринен плат, докато други са формирани чрез триене на смоли върху вълна. Така ги наричаше: стъкло и смола. След приключване на изследването Бенджамин ФранклинВъведена е концепцията за отрицателни и положителни заряди.
Чарлз Кулон реализира възможността за измерване на силата на зарядите с дизайна на торсионни везни по собствено изобретение.
Робърт Миликан, 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 полета, създадени 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 при измерванията използват единицата "Coulomb", кръстена на френския учен, разработил уникална техника.
Той създаде устройство, чието тяло използва 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 накараха топките да се отклонят и да завъртят кобилицата си. Големината на разликата в показанията на скалата преди и след въвеждането на заряд позволи да се оцени количеството електроенергия в тестовите проби.
Заряд от 1 кулон се характеризира в системата SI с ток от 1 ампер, преминаващ през напречното сечение на проводник за време, равно на 1 секунда.
Съвременната електродинамика разделя всички електрически заряди на:
положителен;
отрицателен.
Когато взаимодействат помежду си, те развиват 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 възможно най-далеч един от друг. А зарядите с противоположни знаци имат сили, които се стремят да ги сближат и обединят в едно цяло.
Принцип на суперпозиция
Когато в даден обем има няколко заряда, за тях важи принципът на суперпозицията.
Значението му е, че всеки заряд по определен начин, според метода, разгледан по-горе, взаимодейства с всички останали, като се привлича от тези от различен тип и се отблъсква от тези от същия тип. Например положителен заряд q1 се влияе от силата на привличане F31 към отрицателния заряд q3 и силата на 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 се използва за определяне на резултантните сили F2 и F3 върху зарядите q2 и q3, съответно.
Използвайки 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 индивидуално прилагани такси.
Действието на тези закони се потвърждава от създадените уреди електроскоп и електрометър, които имат общ принципработа.
Електроскопът се състои от две еднакви остриета от тънко фолио, окачени в изолирано пространство чрез проводима нишка, прикрепена към метална топка. В нормално състояние зарядите не действат върху тази топка, така че венчелистчетата висят свободно в пространството вътре в крушката на устройството.
Как може да се прехвърля заряд между телата?
Ако донесете заредено тяло, например пръчка, към топката на електроскопа, зарядът ще премине през топката по проводяща нишка към венчелистчетата. Те ще получат еднакъв заряд и ще започнат да се отдалечават един от друг под ъгъл, пропорционален на приложеното количество електричество.
Електромерът има същото основно устройство, но има малки разлики: едното венчелистче е фиксирано неподвижно, а второто се простира от него и е снабдено със стрелка, която ви позволява да вземете показания от градуирана скала.
За да прехвърлите заряд от отдалечено, неподвижно и заредено тяло към електромер, можете да използвате междинни носители.
Измерванията, направени с електрометър, нямат висок клас на точност и на тяхна база е трудно да се анализират силите, действащи между зарядите. Торсионните везни на Кулон са по-подходящи за тяхното изследване. Те използват топки с диаметри, значително 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, извършени от Кулон, потвърдиха предположението му, че точковият заряд се прехвърля от заредено тяло към тяло със същите свойства и маса, но без заряд, по такъв начин, че да бъде равномерно разпределен между тях, намалявайки с коефициент 2 при източник. По този начин беше възможно да се намали количеството на таксата два, три или друг път.
Силите, които съществуват между неподвижни 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 счита, че най-малката отрицателно заредена частица е електронът, а позитронът е най-малката положително заредена частица. Те имат еднаква маса 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 генерира от движението на йони - заредени неелементарни частици (атоми или молекули) с положителни заряди, наречени катиони или отрицателни заряди - аниони.
Йоните се образуват от неутрални частици.
Положителен заряд се създава от частица, която е загубила електрон под въздействието на мощен електрически разряд, светлинно или радиоактивно излъчване, вятър, движение на водни маси или редица други причини.
Отрицателните йони се образуват от неутрални частици, които допълнително са получили електрон.
Използване на йонизация в медицински целии ежедневието
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 окисляването на серотонина. Всичко това заедно значително повишава имунитета, подобрява настроението и облекчава болката.
Първият йонизатор, използван за лечение на хора, се нарича Чижевски полилеи, в чест на съветския учен, създал устройство, което има благоприятен ефект върху човешкото здраве.
В съвременните домакински електроуреди можете да намерите вградени йонизатори в прахосмукачки, овлажнители, сешоари, сушилни...
Специални йонизатори за въздух пречистват въздуха и намаляват количеството прах и вредни примеси.
Йонизаторите на водата могат да намалят количеството на химическите реагенти в нейния състав. Използват се за почистване на басейни и езера, като насищат водата с медни или сребърни йони, които намаляват растежа на водорасли и 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 свойство. Тази характеристика се нарича електрически заряд. Телата, участващи в електрически взаимодействия, се наричат заредени. По този начин терминът "електрически зареден" е синоним на израза "участва в електрически взаимодействия". Защо някои елементарни частициимат електрически заряд, а други нямат - никой не знае!
Допълнителни разсъждения, базирани на експериментални данни, имат за цел да уточнят тази характеристика и, ако е възможно, да я направят количествена.
Историята на изучаването на електрическите явления е дълга и изпълнена с драма,...
След това ще опишем редица прости експерименти, които могат да се извършват у дома „в кухнята“ или в училищна лаборатория. При тяхното обяснение 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 за 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 да се установи, че много други вещества също се наелектризират чрез триене. Като знаем предварително резултата, ще изберем ебонитова пръчка, натрита с вълна, като втори „източник“ на електричество. Нека наречем електрическия заряд, който се появява върху стъклото „стъкло“, а заряда върху ебонит „смола“.
След това се нуждаем от „устройство“, което може да реагира на наличието на електрически заряд. За да направите това, окачете лека чаша, усукана от парче фолио на конец. Лесно се проверява дали тази чаша не е заредена - колкото и да поднесем към нея молив, ръка, учебник по физика и др., ефект върху чашата не се появява.
Нека донесем заредена стъклена електрическа пръчка към незареденото стъкло (фиг. 141). Стъклото е привлечено от нея, като другите малки тела. Въз основа на 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 заредена пръчка, то рязко ще се отблъсне от нея. Ако сега извадите пръчката, стъклото ще се зареди, което може да се провери, като донесете друго незаредено тяло към него. Например, то ще бъде привлечено от вдигнатата ръка.
Подобни резултати се получават, ако замените стъклена пръчка, натъркана върху коприна, с ебонитна пръчка, натъркана върху вълна.
По този начин, в тези експерименти разликата между "стъклено" и "смола" електричество не се появява.
Засега няма да обсъждаме защо незаредена чаша се привлича от заредена пръчка, а заредена чаша се привлича от незаредена ръка. Единственият извод, който можем да направим от експеримента е, че в резултат на контакт чашата е придобила електрически заряд. Следователно електрическият заряд може да се предаваот едно тяло в друго.
Нека вземем две еднакви чаши от фолио и ги закачим една до друга на нишки с еднаква дължина. Ако чашите са заредени еднакво (с помощта на стъклена или ебонитна пръчка), тогава чашите се отблъскват една друга (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 нека заменим „мерителните чаши“ с по-модерно устройство, наречено електрометър (фиг. 143). Инструментът се състои от метален прът и лека метална игла, която може да се върти хоризонтална ос. Това устройство се намира в метален корпус, покрит със стъклени капаци. Ъгълът на отклонение на иглата може да се измери с помощта на скала. Прътът на стрелата е фиксиран в тялото с помощта на втулка от плексиглас. Прътът със стрелата играе същата роля като фолийните чаши в предишни експерименти - когато заредено тяло докосне пръта, зарядът ще потече към пръта и към стрелката, което ще доведе до нейното отклонение. Освен това посоката на отклонение на стрелката не зависи от отчетения тип 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 електромерните пръти с помощта на различни материали. При свързващи пръти с дървени, незаредени стъклени, ебонитни, пластмасови пръчки; 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 – материалите, които провеждат „стъклено“ електричество, също 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 пренасят електрически заряд (те се наричат изолатори). Между другото, прътът на електрометъра е отделен от тялото с помощта на изолационна втулка, така че електрическият заряд не се „разпространява“ върху тялото, а остава върху пръта и показалеца.
Различните отклонения на стрелката на електрометъра ясно показват, че силата на взаимодействие между заредените тела може да бъде различна и следователно големината на зарядите може да бъде различна. Следователно зарядът може да се характеризира с определена числена стойност (а не както казахме по-рано - „така ли е или не е“).
Друг интересен резултат е, че ако докоснете пръта на зареден електрометър с ръка, електрометърът се разрежда - зарядът изчезва. Дори въз основа на тези качествени наблюдения е възможно да се обясни къде изчезва зарядът при докосване с ръка. Човешкото тялое проводник, така че зарядът може да тече в човешкото тяло.
За да се потвърди тази идея за количествения характер на заряда, може да се направи следният експеримент. Нека заредим един електромер и забележим ъгъла на отклонение на стрелката. Нека го свържем към втори електромер - ъгълът на отклонение на иглата ще намалее значително. Премахваме контакта между устройствата и ръката, разреждаме втория електрометър, след което свързваме отново електромерите - отклонението на стрелката отново ще намалее. Така електрическият заряд може да бъде разделен на части. Можете също да проведете обратния експеримент - постепенно добавяне на заряд към електрометъра.
Нека сега „смесим“ двата налични вида електричество. За да направим това, зареждаме един електромер със „стъклено“ електричество, а вторият с „смола“ електричество, като се стремим да гарантираме, че първоначалните отклонения на стрелките на двата електрометъра са приблизително еднакви. След това свързваме електромерните пръти с метална жица (на изолираща дръжка, така че зарядите да не изтичат). Резултатът от този експеримент може да е изненадващ - и двата електроскопа са били разредени или електричеството "стъкло" и "смола" са неутрализирани и компенсирани взаимно (фиг. 145). Следователно се оказва възможно да се припише различни видовезареждат различни алгебрични знаци - наречете единия заряд положителен, втория отрицателен. Разумно е да се предположи, че силата на взаимодействието зависи от нетния заряд. Ако електромерите първоначално са били заредени с различни видове електричество, но различни степени(отклоненията на стрелките са различни), а след това ги свържете, тогава ще настъпи само частична компенсация на зарядите - стрелките ще се отклонят, но в много по-малка степен.
Исторически зарядът „стъкло“ се нарича положителен, а зарядът „смола“ става отрицателен.
Устройството, което описахме, електрометър, ни позволява само да преценим качествено големината на зарядите, с него е невъзможно да се извършват количествени измервания. Опитайте, например, да донесете ръката си до зареден електрометър (без да докосвате пръта) - отклонението на иглата ще се увеличи! Доближете заредена пръчка до незаредената пръчка, без да докосвате пръчката - 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 със „стълбовете“, на които стои електродинамиката - електрическите заряди. Ще проучим процеса на електрификация, ще разгледаме на какъв принцип 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 (прашинки, парчета хартия...). Всички тези експерименти се основават на процеса на наелектризиране.
Определение.Електрификация– разделяне на електрическите заряди. Това означава, че електроните от едно тяло се преместват 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 оказа невярно, което по-късно беше доказано от руския учен Петров. Следващият обаче е повече 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).
След известно време бяха формулирани следните закони (фиг. 2):
1) подобни заряди се отблъскват взаимно;
2) за разлика от таксите се привличат.
Ориз. 2. Взаимодействие на зарядите
Обозначенията за положителен (+) и отрицателен (–) заряд са въведени от американския учен Бенджамин Франклин (1706-1790).
По споразумение е обичайно да се нарича зарядът, който се образува върху стъклена пръчка, ако я търкате с хартия или коприна (фиг. 3), положителен, а отрицателният заряд върху ебонит или кехлибарена пръчка, ако я търкате с козина (фиг. 4).
Ориз. 3. Положителен заряд
Ориз. 4. Отрицателен заряд
Откритието на електрона от Томсън най-накрая изясни на учените, че при наелектризирането на тялото не се предава електрическа течност и не се прилага заряд отвън. Има преразпределение на електроните като най-малки носители на отрицателен заряд. В района, където пристигат, броят им става по-голям от броя на положителните протони. Така се появява некомпенсиран отрицателен заряд. Обратно, в областта, от която те напускат, се появява липса на отрицателни заряди, необходими за компенсиране на положителните. Така зоната става положително заредена.
Установено е не само наличието на двама различни видовезаряди, но и два различни принципа на тяхното взаимодействие: взаимното отблъскване на две тела, заредени с подобни заряди (със същия знак) и съответно привличането на противоположно заредени тела.
Електрификацията може да се извърши по няколко начина:
- триене;
- чрез допир;
- удар;
- насочване (чрез влияние);
- облъчване;
- химично взаимодействие.
Наелектризиране чрез триене и наелектризиране чрез контакт
Когато стъклена пръчка се потърка в хартия, тя получава положителен заряд. При контакт с металната 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. Наелектризиращо докосване
В резултат на триене с 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 различни заряди
Електрификация чрез влияние (насоки)
Нека поставим линийка върху стойката с шлейфа. 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 (пръчка) и тяло без заряд (линийка).
По време на всеки експеримент зарядите се разделят, не възникват нови заряди (фиг. 7).
Ориз. 7. Преразпределение на таксите
Така че, ако сме съобщили електрически заряд на тялото, използвайки някой от горните методи, ние, разбира се, трябва по някакъв начин да оценим големината на този заряд. 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
Придавайки заряд на електрометъра, ние във всеки случай (както за положителни, така и за отрицателни заряди) зареждаме както пръчката, така и стрелката с еднакви заряди, в резултат на което стрелката се отклонява. Ъгълът на отклонение се използва за оценка на заряда (фиг. 10).
Ориз. 10. Електрометър. Ъгъл на отклонение
Ако вземете наелектризирана стъклена пръчка и я допрете до електрометъра, иглата 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 се наричат по аналогия количество електроенергия.
Законът за запазване на зарядите не е напълно обяснен, тъй като зарядите се появяват и изчезват само по двойки. С други думи, ако се раждат заряди, тогава само положителни и отрицателни наведнъж и еднакви по големина.
В следващия урок ще разгледаме по-отблизо количествените оценки на електродинамиката.
Библиография
- Тихомирова С.А., Яворски Б.М. Физика (основно ниво) - М.: Мнемозина, 2012.
- Gendenshtein 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, втората 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 иглата?
1. Елементарен електричен заряд; два вида електрически заряди; закон 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 знания за структурата на атома, като се използва планетарен модел на неговата структура. В центъра на атома има положително заредено ядро, около което отрицателно заредени частици се въртят по 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 кулон (C).
1 висулка- това е електрически заряд, който, преминавайки през напречното сечение на проводник за 1 s, създава в него ток от 1 A.
Способността на електрическите заряди да се привличат и отблъскват взаимно се обяснява със съществуването на два вида заряди. Един вид заряд се нарича положителен; носителят на елементарен положителен заряд е протонът. Друг вид заряд се нарича отрицателен, неговият носител е електрон. Елементарният заряд е Еднаквите заряди се отблъскват, а различните - привличат
Зарядът на частицата винаги се представя с число, което е кратно на елементарния заряд.
Закон за запазване на електрическия заряд
:
Общият заряд на затворена система (което не включва външните заряди), т.е. алгебричната сума на зарядите на всички тела, остава постоянна: q 1 + q 2 + ... + q n = const.
Електрическият заряд нито се създава, нито се унищожава, а само се прехвърля от едно тяло на друго.
Електрификация- това е съобщение към тялото за електрически заряд. Електрификацията може да възникне например при контакт (триене) на различни вещества и по време на облъчване. Когато в тялото настъпи наелектризиране, възниква излишък или недостиг на електрони.
При излишък на електрони тялото придобива отрицателен заряд, а при недостиг – положителен.
Закон на Кулон: модулът на силата на взаимодействие между 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 система от единици, в SI
Величината, показваща колко пъти силата на взаимодействие между зарядите във вакуум е по-голяма от тази в среда, се нарича диелектрична проницаемост на средата ε. За среда с диелектрична константа e законът на Кулон се записва, както следва:
В SI коефициентът k обикновено се записва, както следва:
- електрическа константа, числено равна
2. слънчева система. Звезди и източници на тяхната енергия. Съвременни представиза 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 слънчевата енергия 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.
Планети от земен типЧетирите най-близки до Слънцето планети са именувани: Меркурий, Венера, Земя и Марс.
Тези планети се характеризират с относително малки размери и маса и доста висока средна плътност. Обща собственостПланетите от земната група също могат да се считат за много бедни на спътници.
Меркурий (най-близката планета до Слънцето). Меркурий получи името си в чест на древния римски бог пратеник. Тя обикаля 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.
На Меркурий има следи от атмосфера: открити са хелий, аргон, кислород, въглерод и ксенон, но няма атмосфера.
Венера (2-ра 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 относително плоски, хълмисти равнини с ясно видими кратери. Около 16% от повърхността са безводни котловини и долини.
Венера е дори по-гореща планета от Меркурий и поради плътната си атмосфера практически няма дневни или годишни температурни колебания - близо до нейната повърхност температурата винаги е около 450 0 C.
Особеността на Венера е, че по време на дневното си въртене тя се върти в посока, обратна на посоката на дневното въртене на всички останали 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 чиято атмосфера има много кислород: тя се появи благодарение на жизнената дейност на растенията.
Особеност на Земята сред другите земни планети е наличието на голям естествен спътник - Луни.
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 с денонощието на Земята, и второ, оста на въртене е наклонена към равнината на своята орбита по приблизително същия начин. като Земята, в резултат на което 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 водна пара и
Червеникавият вид на планетата (поради което е наречена Марс, на името на бога на войната) се дължи на наличието на голям брой железни оксиди в марсианската кора.
Гигантски планети.
Гигантските планети нямат твърда повърхност, т.к химичен състави тяхната плътност наподобява звездите, а голямата им маса кара ядрата да се нагряват до температури, по-високи от 10 000 C. Всички гигантски планети имат спътници (броят се на десетки), а някои от тях надвишават размера на Луната.
Юпитер (5-ти от Слънцето)е кръстен на митологичния римски цар на боговете и владетел 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 неговото непрекъснато компресиране под въздействието на гравитацията. Така че Юпитер в известен смисъл е неуспешна звезда (поради твърде „ниската” си маса).
Сатурн (6 от слънцето)Особеност е неговият луксозен пръстен, открит от Галилей. Сатурн е многопластова топка с постепенен преход от течност към газ, състояща се главно от водород и хелий. Отблизо горен лимитТемпературата в облаците е около 86 К, а в центъра на екваториалната зона достига 92 К. Там проблясват мълнии и искрят полярни сияния.
Уран (7 от Слънцето)има всички свойства на гигантските планети, разликата му е, 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 осветление на планетата.
Нептун (8-ми от Слънцето)най-отдалечената от Слънцето планета-гигант, поради което температурата е много ниска (под – 200 0 C). Нептун има 3 спътника.