No Image

Электрическое взаимодействие заряженных тел закон кулона

СОДЕРЖАНИЕ
0 просмотров
11 марта 2020

Взаимодействия электрических зарядов исследовали ещё до Шарля Кулона. В частности, английский физик Кавендиш в своих исследованиях пришёл к выводу, что неподвижные заряды при взаимодействии подчиняются определённому закону. Однако он не обнародовал своих выводов. Повторно закон Кулона был открыт французским физиком, именем которого был назван этот фундаментальный закон.

Рисунок 1. Закон Кулона

История открытия

Эксперименты с заряженными частицами проводили много физиков:

  • Г. В. Рихман;
  • профессор физики Ф. Эпинус;
  • Д. Бернулли;
  • Пристли;
  • Джон Робисон и многие другие.

Все эти учёные очень близко подошли к открытию закона, но никому из них не удалось математически обосновать свои догадки. Несомненно, они наблюдали взаимодействие заряженных шариков, но установить закономерность в этом процессе было непросто.

Кулон проводил тщательные измерения сил взаимодействия. Для этого он даже сконструировал уникальный прибор – крутильные весы (см. Рис. 2).

Рис. 2. Крутильные весы

У придуманных Кулоном весов была чрезвычайно высокая чувствительность. Прибор реагировал на силы порядка 10 -9 Н. Коромысло весов, под действием этой крошечной силы, поворачивалось на 1 º . Экспериментатор мог измерять угол поворота, а значит и приложенную силу, пользуясь точной шкалой.

Благодаря гениальной догадке учёного, идея которой состояла в том, что при соприкосновении заряженного и незаряженного шариков, электрический заряд делился между ними поровну. На это сразу реагировали крутильные весы, коромысло которых поворачивалось на определённый угол. Заземляя неподвижный шарик, Кулон мог нейтрализовать на нём полученный заряд.

Таким образом, учёный смог уменьшать первоначальный заряд подвижного шарика кратное число раз. Измеряя угол отклонения после каждого деления заряда, Кулон увидел закономерность в действии отталкивающей силы, что помогло ему сформулировать свой знаменитый закон.

Формулировка

Кулон исследовал взаимодействие между шариками, ничтожно малых размеров, по сравнению с расстояниями между ними. В физике такие заряженные тела называются точечными. Другими словами, под определение точечных зарядов подпадают такие заряженные тела, если их размерами, в условиях конкретного эксперимента, можно пренебречь.

Для точечных зарядов справедливо утверждение: Силы взаимодействия между ними направлены вдоль линии, проходящей через центры заряженных тел. Абсолютная величина каждой силы прямо пропорциональна произведению зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними (см. рис. 3). Данную зависимость можно выразить формулой: |F1|=|F2|=(ke*q1*q2) / r 2

Рис. 3. Взаимодействие точечных зарядов

Остаётся добавить, что векторы сил направлены друг к другу для разноименных зарядов, и противоположно, в случае с одноимёнными зарядами. То есть между разноимёнными зарядами действует электрическое притяжение, а между одноимёнными – отталкивание.

Таким образом, закон Кулона описывает взаимодействие между двумя электрическими зарядами, которое лежит в основе всех электромагнитных взаимодействий.

Для того чтобы действовал сформулированный выше закон, необходимо выполнение следующий условий:

  • соблюдение точечности зарядов;
  • неподвижность заряженных тел;
  • закон выражает зависимости между зарядами в вакууме.

Границы применения

Описанная выше закономерность при определённых условиях применима для описания процессов квантовой механики. Правда, закон Кулона формулируется без понятия силы. Вместо силы используется понятие потенциальной энергии кулоновского взаимодействия. Закономерность получена путём обобщения экспериментальных данных.

Следует отметить, что на сверхмалых расстояниях (при взаимодействиях элементарных частиц) порядка 10 — 18 м проявляются электрослабые эффекты. В этих случаях закон Кулона, строго говоря, уже не соблюдается. Формулу можно применять с учётом поправок.

Нарушение закона Кулона наблюдается и в сильных электромагнитных полях (порядка 10 18 В/м), например поблизости магнитаров (тип электронных звёзд). В такой среде кулоновский потенциал уменьшается не обратно пропорционально, а экспоненциально.

Кулоновские силы подпадают под действие третьего закона Ньютона: F1 = – F2. Они используются для описания законов всемирного тяготения. В этом случае формула приобретает вид: F = ( m1* m2 ) / r 2 , где m1 и m2 – массы взаимодействующих тел, а r – расстояние между ними.

Закон Кулона стал первым открытым количественным фундаментальным законом, обоснованным математически. Его значение в исследованиях электромагнитных явлений трудно переоценить. С момента открытия и обнародования закона Кулона началась эра изучения электромагнетизма, имеющего огромное значение в современной жизни.

Коэффициент k

Формула содержит коэффициент пропорциональности k, который для согласования соразмерностей в международной системе СИ. В этой системе единицей измерения заряда принято называть кулоном (Кл) – заряд, проходящий за 1 секунду сквозь проводник, где силы тока составляет 1 А.

Коэффициент k в СИ выражается следующим образом: k = 1/4πε, где ε – электрическая постоянная: ε = 8,85 ∙10 -12 Кл 2 /Н∙м 2 . Выполнив несложные вычисления, мы находим: k = 9×10 9 H*м 2 / Кл 2 . В метрической системе СГС k =1.

На основании экспериментов было установлено, что кулоновские силы, как и принцип суперпозиции электрических полей, в законах электростатики описывают уравнения Максвелла.

Если между собой взаимодействуют несколько заряженных тел, то в замкнутой системе результирующая сила этого взаимодействия равняется векторной сумме всех заряженных тел. В такой системе электрические заряды не исчезают – они передаются от тела к телу.

Закон Кулона в диэлектриках

Выше было упомянуто, что формула, определяющая зависимость силы от величины точечных зарядов и расстояния между ними, справедлива для вакуума. В среде сила взаимодействия уменьшается благодаря явлению поляризации. В однородной изотопной среде уменьшение силы пропорционально определённой величине, характерной для данной среды. Эту величину называют диэлектрической постоянной. Другое название – диэлектрическая проницаемость. Обозначают её символом ε. В этом случае k = 1/4πεε.

Диэлектрическая постоянная воздуха очень близка к 1. Поэтому закон Кулона в воздушном пространстве проявляется так же как в вакууме.

Читайте также:  Фасадные декоративные элементы из пенополистирола

Интересен тот факт, что диэлектрики могут накапливать электрические заряды, которые образуют электрическое поле. Проводники лишены такого свойства, так как заряды, попадающие на проводник, практически сразу нейтрализуются. Для поддержания электрического поля в проводнике необходимо непрерывно подавать на него заряженные частицы, образуя замкнутую цепь.

Применение на практике

Вся современная электротехника построена на принципах взаимодействия кулоновских сил. Благодаря открытию Клоном этого фундаментального закона развилась целая наука, изучающая электромагнитные взаимодействия. Понятие термина электрического поля также базируется на знаниях кулоновских сил. Доказано, что электрическое поле неразрывно связано с зарядами элементарных частиц.

Грозовые облака не что иное как скопление электрических зарядов. Они притягивают к себе индуцированные заряды земли, в результате чего появляется молния. Это открытие позволило создавать эффективные молниеотводы для защиты зданий и электротехнических сооружений.

На базе электростатики появилось много изобретений:

  • конденсатор;
  • различные диэлектрики;
  • антистатические материалы для защиты чувствительных электронных деталей;
  • защитная одежда для работников электронной промышленности и многое другое.

На законе Кулона базируется работа ускорителей заряженных частиц, в частности, функционирование Большого адронного коллайдера (см. Рис. 4).

Рис. 4. Большой адронный коллайдер

Ускорение заряженных частиц до околосветовых скоростей происходит под действием электромагнитного поля, создаваемого катушками, расположенными вдоль трассы. От столкновения распадаются элементарные частицы, следы которых фиксируются электронными приборами. На основании этих фотографий, применяя закон Кулона, учёные делают выводы о строении элементарных кирпичиков материи.

Использованная литература:

  1. Сивухин Д. В. Общий курс физики. — М.: Физматлит; Изд-во МФТИ, 2004.
  2. Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. Теоретическая физика: Учеб. пособ.: Для вузов.
  3. Ландсберг Г. С. Элементарный учебник физики. Том II. Электричество и магнетизм.

Электрические заряды

Самое простое явление, в котором обнаруживается факт существования в природе электрических зарядов, — это электризация тел при соприкосновении. Еще древнегреческий философ Фалес Милетский (VII век до н.э.) обратил внимание на то, что кусок янтаря, будучи натертый кусочком шерстяной ткани, начинает притягивать небольшие предметы.

Название элементарной, отрицательно заряженной частицы — электрон — на греческом языке означает янтарь.

Рис. 1. Наэлектризованные трением предметы притягиваются и отталкиваются.

В качестве предметов, которые с помощью трения легко электризуются, можно использовать, например, стекло, эбонит, пластмассу. При этом оказывается, что кусочки бумаги, наэлектризованные от этих разных предметов, могут как притягиваться, так и отталкиваться. Из этих наблюдений были сделаны следующие выводы:

  • Взаимодействие заряженных тел, обнаруженное в подобных экспериментах, называется электрическим взаимодействием;
  • Физическая величина, отвечающая за электрическое взаимодействие, называется электрическим зарядом. Электрический заряд обозначается буквой q;
  • Электрический заряд всегда можно передать от одного тела к другому;
  • Способность электрических зарядов к взаимному притяжению или отталкиванию можно объяснить, предположив, что существуют два вида зарядов. Один вид заряда называется положительным, а другой — отрицательным;
  • Одноименные заряды отталкиваются;
  • Разноименные заряды притягиваются.

Американский ученый Бенджамин Франклин в 1747 г. первым ввел названия для положительных и отрицательных зарядов, а также обозначения “−” и “+”.

Для обнаружения, изучения и измерения величины электрического заряда английский исследователь Уильям Гилберт (1600 г.) придумал специальный прибор — электроскоп.

Рис. 2. Электроскоп.

Закон Кулона

В 1785 г. французский исследователь Шарль Кулон после многочисленных экспериментов с заряженными телами открыл основной закон электростатики. Он измерял силу взаимодействия заряженных шариков. Наблюдения показали, что сила Fэ взаимодействия (притяжения или отталкивания) двух неподвижных заряженных тел, размеры (диаметры) которых на много меньше расстояния между ними, прямо пропорциональна произведению модулей зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними:

Fэ — сила взаимодействия;

r — расстояние между зарядами;

k — постоянный коэффициент (константа).

В формуле закона Кулона о взаимодействии заряженных тел фигурируют модули зарядов, так как заряды могут быть разных знаков. Значит и для величины Fэ формула дает абсолютное значение. Если заряды имеют одинаковые знаки , то Fэ является силой отталкивания, а если знаки разные — силой притяжения. Сила направлена вдоль прямой, соединяющей центры зарядов.

Рис. 3. Закон Кулона. Два заряда притягиваются или отталкиваются.

Единицы измерения

Единица измерения заряда была названа в честь Кулона. 1 кулон — это заряд, проходящий при силе тока 1 ампер за 1 секунду через поперечное сечение проводника.

В международной системе единиц СИ:

Константа k законе Кулона в единицах системы СИ будет равна:

Приведенная здесь формула закона Кулона справедлива для зарядов, находящихся в вакууме. Для зарядов, которые взаимодействуют в какой-либо среде, формула будет иметь такой же вид, но величина постоянной k будет другой. Значения k для разных веществ измерены экспериментально и приведены в справочных таблицах.

Что мы узнали?

Итак, мы узнали, что физическая величина, отвечающая за электрическое взаимодействие, называется электрическим зарядом. Одноименные заряды отталкиваются, а разноименные — притягиваются. Сила взаимодействия зарядов рассчитывается с помощью формулы закона Кулона.

Читайте также:  Сварка алюминия дуговой сваркой

Взаимодействие заряженных тел. Закон Кулона. Закон сохранения электрического заряда

Взаимодействие между заряженными частицами называетсяэлектромагнитным.Его интенсивность определяется электрическим зарядом. Кулон – это такой заряд, который проходя через поперечное сечение проводника на 1 секунду создаёт ток силой 1 Ампер.

Закон Кулона: модуль силы взаимодействия двух точечных неподвижных электрических зарядов в вакууме прямо пропорционален произведению величин этих зарядов и обратно квадрату расстояния между ними. Для среды с диэлектрической проницаемостью, в закон Кулона добавляется проницаемость, умноженная на расстояние. Взаимодействие неподвижных электрических зарядов называют электростатическим или кулоновским взаимодействием.

Полный заряд замкнутой системы является постоянным. То есть электрический заряд не создаётся и не исчезает, а только переходит от одного тела к другому. Электризация – это сообщение телу электрического заряда.

Электростатическое поле и его характеристика

Электростатическое поле – частный вид электрического поля, создаваемый совокупностью неподвижных в пространстве зарядов. Основными характеристикам электростатического поля являются: напряжённость(E) – это векторная величина, характеризующая электрическое поле в данной точке и численно равная отношению силы и заряда, и потенциал – это скалярная величина, характеризующая потенциальную энергию, которой обладает единичный положительный заряд помещённый в поле.(Фи)

Теорема Гаусса электростатического поля в вакууме

Теорема Гаусса: поток вектора напряжённости электрического поля через любую произвольно выбранную замкнутую поверхность пропорционален заключенному внутри этой поверхности заряду.

– поток вектора напряжённости электрического поля через замкнутую поверхность.

Принцип суперпозиции в электростатике

Напряжённость электростатического поля, создаваемого в данной точке системой зарядов, есть векторная сумма напряжённостей полей отдельных зарядов.

Принцип суперпозиции или принцип наложения является условию, согласно которой некоторый сложный процесс взаимодействия между определенным числом объектов можно представить в виде суммы взаимодействий между отдельными объектами.

Работа сил электростатического поля по перемещению зарядов

Работа сил электростатического поля при перемещении заряда из одной точки поля в другую не зависит от формы траектории, а определяется только положением начальной и конечной точек и величиной заряда. Следовательно, работа сил электростатического поля при перемещении заряда по любой замкнутой траектории равна нулю.

Связь напряжённости с потенциалом

Напряжённость равна изменению потенциала и направленна в сторону уменьшения потенциала электрического поля.

Теорема о циркуляции вектора напряжённости электрического поля

Консервативная сила – это сила, работа которой не зависит от формы траектории, и работа которой на замкнутой траектории равна нулю.

Интеграл по замкнутому контуру называется циркуляцией вектора напряжённости электростатического поля по контуру L.

Теорема: циркуляция вектора напряжённости электрического поля по любому замкнутому контуру равна нулю.

Теорема Гаусса для электрического поля в вакууме. Применение теоремы Гаусса для расчёта напряженности поля бесконечной заряжённой плоскости поля конденсатора.

Теорема Гаусса: поток вектора напряженности электрического поля через замкнутую поверхность в вакууме равен алгебраической сумме заключенных внутри этой поверхности зарядов, деленной на электрическую постоянную

– поток вектора напряжённости электрического поля через замкнутую поверхность.

Внутри конденсатора:

Снаружи конденсатора:

Закон Био — Савара- Лапласа. Примеры простейших магнитных полей проводников с током.

Сила Ампера. Сила Лоренца.

F=B . I . ℓ . sin α — закон Ампера.

· Сила действия однородного маг­нитного поля на проводник с током прямо пропорциональна силе тока, длине проводника, модулю вектора индукции магнитного поля, синусу угла между вектором индукции магнитного поля и проводником.

· Сила Ампера максимальна, если вектор магнитной индукции перпендикулярен проводнику.

· Если вектор магнитной индукции параллелен проводнику, то магнитное поле не оказывает никакого действия на проводник с током, т.е. сила Ампера равна нулю.

Макроскопическим проявлением силы Лоренцаявляется сила Ампера. Запишем силу, действующую на одну частицу. Если заряженная частица влетает в магнитное поле со скоростью , на нее со стороны магнитного поля действует сила, которую называют силой Лоренца: , a – угол между векторами и .

· В однородном магнитном поле, направленном перпендикулярно вектору скорости, под действием силы Лоренца заряженная частица будет равномерно двигаться по окружности постоянного радиуса r. Сила Лоренца в этом случае является центростремительной силой:

· Если заряженная частица движется в магнитном поле так, что вектор скорости составляет с вектором магнитной индукции угол a, то траекторией движения частицы является винтовая линия с радиусом r.

Явление самоиндукции.

Самоиндукция — явление возникновения ЭДС индукции в эл.цепи в результате изменения силы тока.
Возникающая при этом ЭДС называется ЭДС самоиндукции

При размыкании эл.цепи ток убывает, возникает уменьшение м.потока в катушке, возникает вихревое эл.поле, направленное как ток ( стремящееся сохранить прежнюю силу тока) , т.е. в катушке возникает ЭДС самоиндукции, поддерживающая ток в цепи.
В результате Л при выключенииярко вспыхивает.

Индуктивность — физ. величина, численно равная ЭДС самоиндукции, возникающей в контуре при изменении силы тока на 1Ампер за 1 секунду.
Также индуктивность можно рассчитать по формуле:

где Ф — магнитный поток через контур, I — сила тока в контуре.

Единицы измерения индуктивности в системе СИ:

Индуктивность катушки зависит от:
числа витков, размеров и формы катушки и от относительной магнитной проницаемости среды
( возможен сердечник).

Читайте также:  Состав асфальта тип б марка 2

ЭДС САМОИНДУКЦИИ

ЭДС самоиндукции препятствует нарастанию силы тока при включении цепи и убыванию силы тока при размыкании цепи.

22.Уравнения Максвелла в интегральной форме:

1. ;

3. ;

Содержание этих уравнений заключается в следующем:

1. Циркуляция вектора по любому замкнутому контуру равна со знаком минус производной по времени от магнитного потока через любую поверхность, ограниченную данным контуром. При этом под понимается не только вихревое электрическое поле, но и электростатическое (циркуляция такого поля равна нулю).

3. Циркуляция вектора по любому замкнутому контуру равна полному току (току проводимости и току смещения) через произвольную поверхность, ограниченную данным контуром.

Из уравнений Максвелла для циркуляции векторов и следует, что электрическое и магнитное поле нельзя рассматривать как независимые: изменение во времени одного из них приводит к появлению другого. Таким образом, следует рассматривать единое электромагнитное поле.

23. Интерференция света. Опыт Юнга. Условие максимума и минимума при интерференции

Свет от нее попадает на две узкие одинаковые щели S1 и S2, параллельные S. От щелей S1 и S2 распространяются две когерентные волны, интерференция которых наблюдается на экране Э. При освещении щелей монохроматическим светом, например, красным, интерференционная картина имеет вид чередующихся красных и черных полос, интенсивность которых постепенно убывает к периферии. На рисунке показана центральная полоса – главный максимум (максимум нулевого порядка) – и два побочных максимума (порядка m ± 1, 2). При освещении щелей белым светом интерференционные полосы расщепляются в спектр. Это связано с тем, что условие максимума интерференции для разных длин волн (разных цветов) выполняется в разных точках экрана. Другими словами, цвет в какой-либо точке экрана определяется той длиной волны, для которой выполняется условие максимума в этой точке.

Интерференция света — перераспределение интенсивности света в результате наложения (суперпозиции) нескольких когерентных световых волн.

Условие максимума: Условие минимума:

Кольца Ньютона

Кольцеобразные интерференционные максимумы и минимумы, появляющиеся воруг точки касания слегка изогнутой выпуклой линзы и плоскопараллельной пластины при прохождении света свозь них

Дифракция на щели

Интенсивности при дифракции на щели.

Минимум интенсивности при дифракции на щели наблюдается для направлений лучей вторичных волн, удовлетворяющих условию:

Целое число k называется порядком минимума.

Максимум интенсивности при дифракции на щели наблюдается для направлений лучей вторичных волн, удовлетворяющих условию:

Целое число k называется порядком максимума.

28.Дифракция света на дифракционной решётке

Дифракционная решетка — оптический прибор, представляющий собой совокупность большого числа регулярно расположенных штрихов (щелей, выступов), нанесенных на некоторую поверхность (от 0,25 до 6000 штрихов на 1 мм).

n = 2k — четное число. В этом случае происходит попарное гашение лучей от всех зон Френеля и в точке О’ наблюдается минимум интерференционной картины.

Минимум интенсивности при дифракции на щели наблюдается для направлений лучей вторичных волн, удовлетворяющих условию

2) n = 2k — 1 — нечетное число. В этом случае излучение одной зоны Френеля останется непогашенным и в точке О’ будет наблюдаться максимум интерференционной картины.

Максимум интенсивности при дифракции на щели наблюдается для направлений лучей вторичных волн, удовлетворяющих условию:

Закон Брюстера.

Наиболее просто поляризационный свет можно получить из естественного света при отражении световой волны от границы раздела двух диэлектриков.

Если естественный свет падает на границу раздела двух диэлек­триков (например, воздух-стекло), то часть его отражается, а часть преломляется и распространяется во второй среде.

При угле падения, равном углу Брюстера іБр: 1. отраженный от границы раздела двух диэлектриков луч будет полностью поляризован в плоскости, перпендикулярной плоскости падения; 2. степень поляризации преломленного луча достигает максимального значения меньшего единицы; 3. преломленный луч будет поляризован частично в плоскости падения; 4. угол между отраженным и преломленным лучами будет равен 90°; 4. тангенс угла Брюстера равен относительному показателю преломления

.

Формула Релея – Джинса

– формула Релея – Джинса

Квантовая гипотеза и формула Планка

При тепловом излучении энергия испускается и поглощается непрерывно, а отдельными квантами (пропорциями). Каждый такой квант имеет энергию:

На основе этой гипотезы он предложил теоретический вывод соотношения между температурой тела и испускаемым этим телом излучением — формулу Планка.

Взаимодействие заряженных тел. Закон Кулона. Закон сохранения электрического заряда

Взаимодействие между заряженными частицами называетсяэлектромагнитным.Его интенсивность определяется электрическим зарядом. Кулон – это такой заряд, который проходя через поперечное сечение проводника на 1 секунду создаёт ток силой 1 Ампер.

Закон Кулона: модуль силы взаимодействия двух точечных неподвижных электрических зарядов в вакууме прямо пропорционален произведению величин этих зарядов и обратно квадрату расстояния между ними. Для среды с диэлектрической проницаемостью, в закон Кулона добавляется проницаемость, умноженная на расстояние. Взаимодействие неподвижных электрических зарядов называют электростатическим или кулоновским взаимодействием.

Полный заряд замкнутой системы является постоянным. То есть электрический заряд не создаётся и не исчезает, а только переходит от одного тела к другому. Электризация – это сообщение телу электрического заряда.

Комментировать
0 просмотров
Комментариев нет, будьте первым кто его оставит

Это интересно
No Image Строительство
0 комментариев
No Image Строительство
0 комментариев
No Image Строительство
0 комментариев
No Image Строительство
0 комментариев
Adblock detector