Електромагнітна взаємодія. Закон Кулона

 
 

Розділ 1. Електродинаміка

Упродовж тривалого часу електричні та магнітні явища вивчали відокремлено, і лише у другій половині XIX ст. Дж. Максвелл створив теорію єдиного електромагнітного поля. Теорія електромагнетизму є першою фізичною теорією поля, яка надає можливість здійснювати визначні відкриття, й становить основу сучасної техніки та технології.

Електромагнітна взаємодія є однією з фундаментальних у природі та обумовлює більшість явищ навколишнього світу. Завдяки їй притягуються негативно заряджені електрони до позитивно заряджених ядер, забезпечуючи стабільність атомів і молекул. До неї зводяться сили пружності, тертя, поверхневого натягу. Вона впливає на агрегатні стани речовини, оптичні явища та ін. Проявом електромагнітної взаємодії є поширення світла як потоку частинок.

Розділ фізики, що вивчає електромагнітні взаємодії, називають електродинамікою.

§ 1. Електромагнітна взаємодія. Закон Кулона

Опрацювавши цей параграф, ви зможете оперувати поняттями «електричний заряд», «електризація тіл», застосовувати закон Кулона та пояснювати природу електромагнітної взаємодії.

ЕЛЕКТРИЧНИЙ ЗАРЯД ЯК ДЖЕРЕЛО ЕЛЕКТРОМАГНІТНОГО ПОЛЯ. Електромагнітна взаємодія, так само, як і гравітаційна, є далекодіючою та проявляється і на мікро-, і на макрорівнях. Проте, якщо гравітаційна взаємодія властива всім матеріальним частинкам, то електромагнітна — лише зарядженим частинкам і тілам. Можуть існувати тіла та частинки без заряду, проте заряд без тіла чи частинки існувати не може. Тобто електромагнітна взаємодія частинок (або тіл) визначається їх електричними зарядами.

Джеймс Максвелл (1831—1879), шотландський фізик, творець теорії єдиного електромагнітного поля

Електричний заряд є джерелом і мірою електромагнітної взаємодії.

Електромагнітна взаємодія поширюється в просторі зі швидкістю світла (с = 300 000 км/с), тому сила взаємодії між зарядженими частинками починає діяти не миттєво, а через деякий інтервал часу

Вираз «заряд» вживають для позначення невеликого зарядженого тіла чи зарядженої частинки. Досліди показали, що існують два види електричного заряду. Різнойменні заряди притягуються між собою, а однойменні — відштовхуються.

Тіла, заряджені різнойменно, притягуються, а однойменно — відштовхуються.

Заряд, що виникає на склі в результаті натирання його шовком, домовилися називати позитивним і позначати знаком «+», а заряд, що виникає в результаті натирання ебоніту хутром, — негативним і позначати його знаком «-». Такий поділ є досить умовним, оскільки заряди різних видів виявляють однакові властивості.

Електричний заряд позначається латинською літерою q (від англ. quantity — кількість). Одиницею електричного заряду в СІ є кулон (Кл), вона названа на честь французького вченого Ш. Кулона: [q] = 1 Кл.

ЕЛЕКТРИЗАЦІЯ. ЗАКОН ЗБЕРЕЖЕННЯ ЕЛЕКТРИЧНОГО ЗАРЯДУ. Тіла, які набули електричного заряду, називають наелектризованими, а процес набування тілом електричного заряду — електризацією. Скляна паличка, натерта об шовк, електризується, що виявляється в її здатності притягувати, наприклад, шматочки паперу та тонкі струмені води (рис. 1.1). При цьому шовк також електризується.
TEXTBOOKS

Рис. 1.1. Наелектризована скляна паличка притягує шматочки паперу та тонкі струмені води

Під час електризації тертям двох тіл електризуються обидва дотичні тіла.

Якщо доторкнутися наелектризованим тілом до тіла, що не має електричного заряду (до електрично нейтрального), частина заряду переходить з одного тіла на друге. Тобто електричний заряд може поділятися на частини, найменшою з яких є заряд електрона.

Носієм найменшого негативного заряду є електрон е = -1,6 · 10-19 Кл.

Носієм найменшого позитивного заряду є протон. Заряд протона за модулем дорівнює заряду електрона.

Отже, наелектризувати тіло, що не має електричного заряду, можна тертям або доторканням до наелектризованого тіла. Електризація може відбуватися й за відсутності контакту між тілами. Якщо до нейтрального тіла піднести заряджене тіло, то негативно заряджені вільні електрони в нейтральному тілі накопичуються в ближчій до зарядженого тіла частині, залишаючи іншу позитивно зарядженою. Таке явище називають електростатичною індукцією. Існують й інші способи електризації тіл, наприклад, нагріванням, опромінюванням тощо.

Заряд, набутий тілом внаслідок електризації, можна визначити як добуток заряду електрона е та кількості електронів N, яких набуло чи втратило тіло внаслідок електризації: |q| = |е| · N

Процес електризації можна пояснити, розглянувши будову атома. Під час електризації заряди перерозподіляються між тілами. При цьому на скільки зменшиться кількість електронів в одному тілі, на стільки ж збільшиться в іншому. Повний заряд такої системи не зміниться і залишиться рівним нулю. Під час контакту зарядженого тіла з електрично нейтральним заряд перерозподілиться між тілами, проте сумарне його значення залишиться сталим.

Тобто для заряджених тіл, що утворюють замкнуту систему, виконується закон збереження електричного заряду:

Алгебраїчна сума зарядів у замкнутій системі лишається сталою:

q1 + q2 + ... + qn = const,

де q1, q2, ..., qn, — електричні заряди тіл або частинок.

ВЗАЄМОДІЯ ТОЧКОВИХ ЗАРЯДІВ. ЗАКОН КУЛОНА. Електричний заряд є властивістю тіл або їхніх частинок діяти одні на одних із електричною силою. Закон взаємодії точкових зарядів (заряджених тіл, розмірами яких в умовах даної задачі можна знехтувати) встановив французький учений Ш. Кулон у 1785 р.

Сила взаємодії двох нерухомих точкових зарядів прямо пропорційна чисельному значенню добутку модулів цих зарядів, обернено пропорційна квадрату відстані між ними та напрямлена вздовж прямої лінії, що з'єднує заряди (рис. 1.2):

де q1, q2 — модулі зарядів; r — відстань між точковими зарядами; k — коефіцієнт пропорційності.

Мал. 1.2. Напрям сили Кулона під час взаємодії однойменних та різнойменних зарядів

Фізичний зміст коефіцієнта пропорційності k полягає в тому, що він показує, з якою силою взаємодіють у вакуумі два точкові заряди по 1 Кл на відстані 1 м.

Замість коефіцієнта k використовують фундаментальну фізичну константу — електричну сталу

Відповідно, закон Кулона записують у вигляді:

Взаємодію нерухомих електричних зарядів називають електростатичною, або кулонівською, взаємодією.

Розглянемо приклади розв'язування задачі на використання закону Кулона.
TEXTBOOKS

Задача. Три точкові заряди розташовані вздовж прямої на відстанях r12 = 4 см та r23 = 6 см один від одного. Обчислити значення результуючих кулонівських сил, що діють на кожен із цих зарядів, якщо значення зарядів q1 = -20 нКл, q2 = 40 нКл, q3 = 10 нКл.

Сили, прикладені до другого заряду, напрямлені в один бік, тому модуль рівнодійної сили також дорівнює сумі їх модулів:

F2 = F21 + F23;

сили, прикладені до третього заряду, напрямлені в протилежні боки, тому модуль рівнодійної сили дорівнює різниці їх модулів, причому результуюча спрямована в бік більшої сили:

F3 = F32 - F31.

Відповідно до закону Кулона перший і другий заряд притягуються із силою:

Другий і третій заряди відштовхуються із силою, модуль якої дорівнює:

Перший і третій заряди притягуються із силою, модуль якої дорівнює:

Запишемо рівнодійну сил, що діють на кожен із точкових зарядів. Сили, прикладені до першого заряду, напрямлені в один бік, тому модуль рівнодійної сили дорівнює сумі їх модулів:

сили, прикладені до другого заряду, напрямлені в один бік, тому модуль рівнодійної сили також дорівнює сумі їх модулів:

сили, прикладені до третього заряду, напрямлені в протилежні боки, тому модуль рівнодійної сили дорівнює різниці їх модулів, причому результуюча спрямована в бік більшої сили:

Відповідь: F1 = 198 мкН; F2 = 240 мкН; F3 ≈ 42 мкН.

! Головне в цьому параграфі

Електричний заряд є джерелом і мірою електромагнітної взаємодії. Можуть існувати тіла та частинки без заряду, але заряд без тіла чи частинки існувати не може.

У процесі електризації тіло або втрачає частину електронів (позитивно заряджене тіло), або ж набуває надлишкових (негативно заряджене тіло). При цьому заряд перерозподіляється між тілами, проте сумарне його значення залишається сталим.
TEXTBOOKS

? Знаю, розумію, вмію пояснити

1. Що є джерелом електромагнітної взаємодії? 2. Які заряди називають точковими? 3. Сформулюйте закон Кулона. 4. Що називають кулонівською взаємодією? 5. Чи можна тілу надати заряд

Поясніть.

Домашній експеримент

1. Візьміть дві повітряні кульки та підвісьте їх на нитках на деякій відстані одна від одної. Одну з них наелектризуйте, потерши об папір, другу — об шерстяну тканину чи хутро. Проведіть спостереження, як залежить сила притягання між кульками від відстані між ними та від величини електричного заряду.

2. Наелектризуйте повітряну кульку та спробуйте «приклеїти» її до стіни. Перевірте та поясніть, чи залежить результат цього експерименту від того, чим електризувати кульку (наприклад, хутром або шовком), та як саме.

Вправа до § 1

  • 1(с). Поясніть, як зміниться сила взаємодії двох точкових зарядів, якщо відстань між ними збільшити у 3 рази.
  • 2(с). Поясніть, як зміниться сила взаємодії між двома зарядженими точковими тілами, якщо заряд кожного з них збільшити у два рази.
  • 3(д). Дві дощові хмари мають електричні заряди 12 і 20 Кл. Хмари знаходяться на відстані 3 км одна від одної. Обчисліть силу кулонівської взаємодії між хмарами, вважаючи хмари точковими зарядами, оскільки розміри хмар значно менші за відстані між ними.
  • 4(д). Обчисліть відстань між двома точковими зарядами 10 нКл і 3 нКл, якщо сила їх взаємодії становить 24 · 10-5 Н.
  • 5(д). Два однакові точкові позитивні заряди перебувають на відстані 10 мм один від одного. Заряди взаємодіють із силою 7,2 · 10-4 Н. Визначте величини цих зарядів.
  • 6(в). Дві однакові маленькі заряджені кульки знаходяться на відстані 40 см одна від одної. Заряд однієї з них 8 нКл, а заряд другої -2 нКл. Кульки привели в контакт, а потім повернули на початкову відстань. Знайдіть силу взаємодії кульок до і після контакту.
  • 7(в). Точкові заряди 20 нКл і 40 нКл закріплені на відстані 10 см один від одного у вакуумі. Посередині між ними розміщують точковий заряд -5 нКл. Обчисліть модуль і напрямок результуючої сили, яка діє на цей заряд.
скачать dle 11.0фильмы бесплатно

Популярне з Фізики і астрономії за 11 клас

Добавити коментар

Автору дуже потрібно знати, чи Вам допоміг даний матеріал?!

    • bowtiesmilelaughingblushsmileyrelaxedsmirk
      heart_eyeskissing_heartkissing_closed_eyesflushedrelievedsatisfiedgrin
      winkstuck_out_tongue_winking_eyestuck_out_tongue_closed_eyesgrinningkissingstuck_out_tonguesleeping
      worriedfrowninganguishedopen_mouthgrimacingconfusedhushed
      expressionlessunamusedsweat_smilesweatdisappointed_relievedwearypensive
      disappointedconfoundedfearfulcold_sweatperseverecrysob
      joyastonishedscreamtired_faceangryragetriumph
      sleepyyummasksunglassesdizzy_faceimpsmiling_imp
      neutral_faceno_mouthinnocent
оновити, якщо не видно коду

Коментарів 0


Ми створили сайт TEXTBOOKS з метою розміщення матеріалів (шкільних підручників) Міністерства Освіти України, для покращення освітнього процесу учнів у школах та вузах України.
Онлайн перегляд шкільного матеріалу допоможе Вам знайти якісну відповідь на поставлені питання вчителя.
Використовуйте Наш ресур для підготовки до ЗНО 2021, адже у нас присутні підготовчі курси з математики, української мови та літератури, англіської мови та історії України.