Хендрик Антон Лоренц. Закон Био-Савара-Лапласа. Ампер Андре-Мари. Магнитное поле. Вектор магнитной индукции. Инструкция к просмотру. Линии магнитной индукции полей. Ханс Эрстед. Графическое изображение полей. Индукция магнитного поля прямолинейного тока. Направление вектора магнитной индукции. Масс-спектрограф. Опыт Эрстеда. Применение. Ампер присутствовал на заседании Академии. Модуль вектора магнитной индукции.
«Программа энергосбережения» - С уважением к энергосбережению. Щели в оконных рамах. Программа повышения энергетической эффективности. Кран. Работа в творческих мастерских. Цветной телевизор. Экономические задачи. Заседание дискуссионного клуба. Умное потребление. Энергосбережение. Час Земли. Энергопотребление и его последствия. Энергетические проблемы человечества. Рациональное использование энергии. Холодильник. Острова. Анкета.
««Законы Ньютона» 10 класс» - Скорость лыжника. Силы, с которыми тела действуют друг на друга. Проверь себя. Принцип относительности Галилея. Неинерциальные системы отсчета. Яблоко и Земля. Законы Ньютона. Найдите построением равнодействующую сил. Заполнить обобщающую таблицу. Ускорение тела. Системы отсчета. Динамика. Лебедь. Особенности III закона. Принцип суперпозиции сил. Направления скорости. Инерция. Скорость тела. Ускорение тела прямо пропорционально силе.
«МАГАТЭ» - Конфликт. Сферы деятельности. Дуайт Эйзенхауэр. Атом для мира. Состав и организационная структура. Агентство по атомной энергии. Штаб-квартира МАГАТЭ. Широкий спектр услуг. Контрольные функции. Участники. Создание МАГАТЭ. МАГАТЭ. Межправительственная организация. Нераспространение ядерного оружия. Мохаммед аль-Барадеи.
««Тепловые двигатели» 10 класс» - Двухтактный двигатель. Основные компоненты двигателя. Степень сжатия. Иван Ползунов. Охрана природы. Виды двигателей. Паровая турбина. Двигатель работает по четырехтактному циклу. Томас Ньюкомен. Опасность. Дизельные двигатели. Этапы развития ДВС. КПД двигателя. Огненное сердце. Немного истории. Пионеры ракетно-космической техники. Автомобили на ДВС завоевали мир. Профилактические меры. Решение выше перечисленных проблем жизненно важно для человека.
«Электролиз растворов электролитов» - Электрический ток в электролитах. Получение химически чистых веществ. Электрический ток. Распад нейтральных молекул. Первый закон электролиза. Заряд. Применение электролиза. Гальванопластика. Гальваностегия. Электролитическая диссоциация. Получение алюминия. Источник тока. Законы электролиза. Гальванотехника. Применение. Электролиз. Электрический ток в жидкостях. Анод. Катод. NaCl.
В основе всего разнообразия явлений природы лежат 4 фундаментальных взаимодействия между элементарными частицами: сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное. Каждый вид взаимодействия связывается с определенной характеристикой частиц: например – электромагнитное – с электрическим зарядом. Электрический заряд является неотъемлемым свойством некоторых элементарных частиц. Элементарными частицами будем называть мельчайшие известные в настоящее время частицы материи. Все тела в природе способны электризоваться, т.е. приобретать электрический заряд. Электрический заряд частицы - основная ее характеристика. Он обладает тремя фундаментальными свойствами:
Самая маленькая частица электрического заряда - называется элементарным зарядом.
Заряд всех элементарных частиц (если он не равен нулю) одинаков по абсолютной величине.
Положительный элементарный заряд будем обозначать символом (+е), отрицательный – (-е).
Из протонов, электронов и нейтронов построены атомы и молекулы любого вещества. Известны также частицы, называемые резонансами, заряд которых равен 2е.
2) Всякий заряд q образуется совокупностью элементарных зарядов, и является целым кратным е.
Электрический элементарный заряд очень мал, поэтому можно считать возможную величину макроскопических зарядов изменяющейся непрерывно.
3) Если физическая величина может принимать только определенные, дискретные значения, то говорят, что эта величина квантуется. Электрический заряд квантуется.
Величина заряда, измеряемая в различных инерциальных системах отсчета, оказывается одинаковой. Его величина не зависит от системы отсчета, а значит, не зависит от того, движется он или покоится.
Электрический заряд является релятивистски инвариантным. Электрические заряды могут исчезать и возникать вновь. Но всегда возникают или исчезают 2 электрических заряда противоположных знаков. Электрон и позитрон при встрече аннигилируют , т.е. превращаются в нейтральные гамма-фотоны, при этом исчезают заряды +е и -е. Если гамма-фотон попадает в поле атомного ядра, то рождается пара частиц – электрон и позитрон, при этом возникают заряды +е и -е.
Закон сохранения электрического заряда . Он был установлен из обобщения опытных данных и экспериментально подтвержден в 1843 г. физиком М. Фарадеем.
Электрически изолированной системой будем называть систему, если между ней и внешними телами нет обмена электрическими зарядами. В такой системе могут возникать новые электрически заряженные частицы, но всегда рождаются частицы, суммарный электрический заряд которых равен нулю.
Алгебраическая сумма электрических зарядов любой электрически замкнутой системы остается неизменной, какие бы процессы не происходили внутри этой системы .
где- q 1 и q 2 -заряды тел системы до взаимодействия, а q 1 ¢ и q 2 ¢ - после взаимодействия.
Закон сохранения электрического заряда связан с релятивистской инвариантностью заряда. Действительно, если бы величина заряда зависела от его скорости, то, приведя в движение заряды одного какого-то знака, мы изменили бы суммарный заряд изолированной системы.
В нашей стране с 1982 введена система единиц СИ. Обозначается электрический заряд буквами - q или Q . Единицей измерения электрического заряда в СИ является Кулон, ([q] = 1 Кл), кулон – производная единица измерения.
1 Кулон - это электрический заряд, проходящий через поперечное сечение проводника при силе тока 1А за время 1 сек.
- [м], - [кг], -[сек], [ I ]-, - K ,
1Кл = 2,998 ·10 9 СГСЭ единиц заряда; или 1СГСз = 1/3·10 -9 Кл, e = +1,6·10 -19 Кл.
СГСЭ система - (см, г, с и СГСЭ единица заряда) называется абсолютной электростатической системой единиц.
СГСЭ единица заряда это такой заряд, который взаимодействует в вакууме с равным ему и находящимся на расстоянии 1 см зарядом с силой в 1 дину.
Элементарный заряд равен: e =+1,6·10 -19 Кл = 4,80·10 -10 СГСЭ - единиц заряда.
В СИ единицей силы служит ньютон (Н), 1Н= 10 5 дин .
Подобно понятию гравитационной массы тела в механике Ньютона, понятие заряда в электродинамике является первичным, основным понятием.
Электрический заряд - это физическая величина, характеризующая свойство частиц или тел вступать в электромагнитные силовые взаимодействия.
Электрический заряд обычно обозначается буквами q или Q .
Совокупность всех известных экспериментальных фактов позволяет сделать следующие выводы:
Существует два рода электрических зарядов, условно названных положительными и отрицательными.
Заряды могут передаваться (например, при непосредственном контакте) от одного тела к другому. В отличие от массы тела электрический заряд не является неотъемлемой характеристикой данного тела. Одно и то же тело в разных условиях может иметь разный заряд.
Одноименные заряды отталкиваются, разноименные - притягиваются. В этом также проявляется принципиальное отличие электромагнитных сил от гравитационных. Гравитационные силы всегда являются силами притяжения.
Одним из фундаментальных законов природы является экспериментально установленный закон сохранения электрического заряда .
В изолированной системе алгебраическая сумма зарядов всех тел остается постоянной:
|
q 1 + q 2 + q 3 + ... +q n = const. |
Закон сохранения электрического заряда утверждает, что в замкнутой системе тел не могут наблюдаться процессы рождения или исчезновения зарядов только одного знака.
С современной точки зрения, носителями зарядов являются элементарные частицы. Все обычные тела состоят из атомов, в состав которых входят положительно заряженные протоны, отрицательно заряженные электроны и нейтральные частицы - нейтроны. Протоны и нейтроны входят в состав атомных ядер, электроны образуют электронную оболочку атомов. Электрические заряды протона и электрона по модулю в точности одинаковы и равны элементарному заряду e .
В нейтральном атоме число протонов в ядре равно числу электронов в оболочке. Это число называется атомным номером . Атом данного вещества может потерять один или несколько электронов или приобрести лишний электрон. В этих случаях нейтральный атом превращается в положительно или отрицательно заряженный ион.
Заряд может передаваться от одного тела к другому только порциями, содержащими целое число элементарных зарядов. Таким образом, электрический заряд тела - дискретная величина:
Физические величины, которые могут принимать только дискретный ряд значений, называются квантованными . Элементарный заряд e является квантом (наименьшей порцией) электрического заряда. Следует отметить, что в современной физике элементарных частиц предполагается существование так называемых кварков - частиц с дробным зарядом и Однако, в свободном состоянии кварки до сих пор наблюдать не удалось.
В обычных лабораторных опытах для обнаружения и измерения электрических зарядов используется электрометр ( или электроскоп) - прибор, состоящий из металлического стержня и стрелки, которая может вращаться вокруг горизонтальной оси (рис. 1.1.1). Стержень со стрелкой изолирован от металлического корпуса. При соприкосновении заряженного тела со стержнем электрометра, электрические заряды одного знака распределяются по стержню и стрелке. Силы электрического отталкивания вызывают поворот стрелки на некоторый угол, по которому можно судить о заряде, переданном стержню электрометра.
Электрометр является достаточно грубым прибором; он не позволяет исследовать силы взаимодействия зарядов. Впервые закон взаимодействия неподвижных зарядов был открыт французским физиком Шарлем Кулоном в 1785 г. В своих опытах Кулон измерял силы притяжения и отталкивания заряженных шариков с помощью сконструированного им прибора - крутильных весов (рис. 1.1.2), отличавшихся чрезвычайно высокой чувствительностью. Так, например, коромысло весов поворачивалось на 1° под действием силы порядка 10 -9 Н.
Идея измерений основывалась на блестящей догадке Кулона о том, что если заряженный шарик привести в контакт с точно таким же незаряженным, то заряд первого разделится между ними поровну. Таким образом, был указан способ изменять заряд шарика в два, три и т. д. раз. В опытах Кулона измерялось взаимодействие между шариками, размеры которых много меньше расстояния между ними. Такие заряженные тела принято называть точечными зарядами .
Точечным зарядом называют заряженное тело, размерами которого в условиях данной задачи можно пренебречь.
На основании многочисленных опытов Кулон установил следующий закон:
Силы взаимодействия неподвижных зарядов прямо пропорциональны произведению модулей зарядов и обратно пропорциональны квадрату расстояния между ними:
Силы взаимодействия подчиняются третьему закону Ньютона:
Они являются силами отталкивания при одинаковых знаках зарядов и силами притяжения при разных знаках (рис. 1.1.3). Взаимодействие неподвижных электрических зарядов называют электростатическим или кулоновским взаимодействием. Раздел электродинамики, изучающий кулоновское взаимодействие, называют электростатикой .
Закон Кулона справедлив для точечных заряженных тел. Практически закон Кулона хорошо выполняется, если размеры заряженных тел много меньше расстояния между ними.
Коэффициент пропорциональности k в законе Кулона зависит от выбора системы единиц. В Международной системе СИ за единицу заряда принят кулон (Кл).
Кулон - это заряд, проходящий за 1 с через поперечное сечение проводника при силе тока 1 А. Единица силы тока (Ампер) в СИ является наряду с единицами длины, времени и массы основной единицей измерения .
Коэффициент k в системе СИ обычно записывают в виде:
Где 
- электрическая постоянная
.
В системе СИ элементарный заряд e равен:
Опыт показывает, что силы кулоновского взаимодействия подчиняются принципу суперпозиции:
Если заряженное тело взаимодействует одновременно с несколькими заряженными телами, то результирующая сила, действующая на данное тело, равна векторной сумме сил, действующих на это тело со стороны всех других заряженных тел.
Рис. 1.1.4 поясняет принцип суперпозиции на примере электростатического взаимодействия трех заряженных тел.
Принцип суперпозиции является фундаментальным законом природы. Однако, его применение требует определенной осторожности, в том случае, когда речь идет о взаимодействии заряженных тел конечных размеров (например, двух проводящих заряженных шаров 1 и 2). Если к системе из двух заряженных шаров поднсти третий заряженный шар, то взаимодействие между 1 и 2 изменится из-за перераспределения зарядов .
Принцип суперпозиции утверждает, что при заданном (фиксированном) распределении зарядов на всех телах силы электростатического взаимодействия между любыми двумя телами не зависят от наличия других заряженных тел.
В обычных условиях микроскопические тела являются электрически нейтральными, потому что положительно и отрицательно заряженные частицы, которые образуют атомы, связаны друг с другом электрическими силами и образуют нейтральные системы. Если электрическая нейтральность тела нарушена, то такое тело называется наэлектризованное тело . Для электризации тела необходимо, чтобы на нём был создан избыток или недостаток электронов или ионов одного знака.
Способы электризации тел , которые представляют собой взаимодействие заряженных тел, могут быть следующими:
- Электризация тел при соприкосновении . В этом случае при тесном контакте небольшая часть электронов переходит с одного вещества, у которого связь с электроном относительно слаба, на другое вещество.
- Электризация тел при трении . При этом увеличивается площадь соприкосновения тел, что приводит к усилению электризации.
- Влияние . В основе влияния лежит явление электростатической индукции , то есть наведение электрического заряда в веществе, помещённом в постоянное электрическое поле.
- Электризация тел под действием света . В основе этого лежит фотоэлектрический эффект , или фотоэффект , когда под действием света из проводника могут вылетать электроны в окружающее пространство, в результате чего проводник заряжается.
Многочисленные опыты показывают, что когда имеет место электризация тела , то на телах возникают электрические заряды, равные по модулю и противоположные по знаку.
Отрицательный заряд тела обусловлен избытком электронов на теле по сравнению с протонами, а положительный заряд обусловлен недостатком электронов.
Когда происходит электризация тела, то есть когда отрицательный заряд частично отделяется от связанного с ним положительного заряда, выполняется закон сохранения электрического заряда . Закон сохранения заряда справедлив для замкнутой системы, в которую не входят извне и из которой не выходят наружу заряженные частицы. Закон сохранения электрического заряда формулируется следующим образом:
В замкнутой системе алгебраическая сумма зарядов всех частиц остаётся неизменной:
q 1 + q 2 + q 3 + … + q n = const
где q 1 , q 2 и т.д. – заряды частиц.
Взаимодействие электрически заряженных тел
Взаимодействие тел , имеющих заряды одинакового или разного знака, можно продемонстрировать на следующих опытах. Наэлектризуем эбонитовую палочку трением о мех и прикоснёмся ею к металлической гильзе, подвешенной на шёлковой нити. На гильзе и эбонитовой палочке распределяются заряды одного знака (отрицательные заряды). Приближая заряженную отрицательно эбонитовую палочку к заряженной гильзе, можно увидеть, что гильза будет отталкиваться от палочки (рис. 1.2).
Рис. 1.2. Взаимодействие тел с зарядами одного знака.
Если теперь поднести к заряженной гильзе стеклянную палочку, потёртую о шёлк (положительно заряженную), то гильза будет к ней притягиваться (рис. 1.3).
Рис. 1.3. Взаимодействие тел с зарядами разных знаков.
Отсюда следует, что тела, имеющие заряды одинакового знака (одноимённо заряженные тела), взаимно отталкиваются, а тела, имеющие заряды разного знака (разноименно заряженные тела), взаимно притягиваются. Аналогичные вводы получаются, если приближать два султана, одноименно заряженные (рис. 1.4) и разноименно заряженные (рис. 1.5).
О том, что электрические заряды в природе существуют, человечество знало со времен древнегреческих натурфилософов, которые открыли, что кусочки янтаря, если их потереть кошачьей шерстью, начинают отталкиваться друг от друга. Сегодня мы знаем, что электрический заряд, подобно массе, является одним из фундаментальных свойств материи. Все без исключения элементарные частицы, из которых состоит материальная Вселенная, имеют тот или иной электрический заряд — положительный (подобно протонам в составе атомного ядра), нейтральный (подобно нейтронам того же ядра) или отрицательный (подобно электронам, образующим внешнюю оболочку атомного ядра и обеспечивающим его электрическую нейтральность в целом).
Одним из полезнейших приемов в физике является выявление совокупных (суммарных) свойств системы, которые не изменяются ни при каких изменениях ее состояния. Такие свойства, выражаясь научным языком, являются консервативными , поскольку для них выполняются законы сохранения . Любой закон сохранения сводится к констатации того факта, что в замкнутой (в смысле полного отсутствия «утечки» или «поступления» соответствующей физической величины) консервативной системе соответствующая величина, характеризующая систему в целом, со временем не изменяется.
Электрический заряд как раз и относится к категории консервативных характеристик замкнутых систем. Алгебраическая сумма положительных и отрицательных электрических зарядов — чистый суммарный заряд системы — не изменяется ни при каких обстоятельствах, какие бы процессы в системе ни происходили. В частности, при химических реакциях, отрицательно заряженные валентные электроны могут каким угодно образом перераспределяться между внешними оболочками образующих химические связи атомов различных веществ — ни совокупный отрицательный заряд электронов, ни совокупный положительный заряд протонов в ядре в замкнутой химической системе не изменится. И это лишь самый простой пример, поскольку при химических реакциях не происходит трансмутаций самих протонов и электронов, в результате чего число положительных и отрицательных зарядов в системе можно просто подсчитать.
При более высоких энергиях, однако, электрически заряженные элементарные частицы начинают вступать во взаимодействия друг с другом, и проследить за соблюдением закона сохранения электрического заряда становится значительно сложнее, однако он выполняется и в этом случае. Например, при реакции спонтанного распада изолированного нейтрона происходит процесс, который можно описать следующей формулой:
где p — положительно заряженный протон, n — нейтрально заряженный нейтрон, e — отрицательно заряженный электрон, а v — нейтральная частица, называемая нейтрино. Нетрудно увидеть, что и в исходном материале, и в продукте реакции суммарный электрический заряд равен нулю (0 = (+1) + (-1) + 0), однако в этом случае налицо изменение общего числа положительно и отрицательно заряженных частиц в системе. Это — одна из реакций радиоактивного распада , в которых закон сохранения алгебраической суммы электрических зарядов выполняется, несмотря на образование новых заряженных частиц. Такие процессы характерны для взаимодействий между элементарными частицами, при которых из частиц с одними электрическими зарядами рождаются частицы с другими электрическими зарядами. Суммарный электрический заряд замкнутой системы, в любом случае, остается неизменным.
