відкрита фізика

Електричний заряд. закон Кулона

Подібно поняттю гравітаційної маси тіла в механіці Ньютона, поняття заряду в електродинаміки є первинним, основним поняттям.

Електричний заряд - це фізична величина, що характеризує властивість частинок або тіл вступати в електромагнітні силові взаємодії.

Електричний заряд звичайно позначається буквами q або Q.

Сукупність усіх відомих експериментальних фактів дозволяє зробити наступні висновки:

Існує два роду електричних зарядів, умовно названих позитивними і негативними.

Заряди можуть передаватися (наприклад, при безпосередньому контакті) від одного тіла до іншого. На відміну від маси тіла електричний заряд не є невід'ємною характеристикою даного тіла. Одне і те ж тіло в різних умовах може мати різний заряд.

Однойменні заряди відштовхуються, різнойменні - притягуються. У цьому також проявляється принципова відмінність електромагнітних сил від гравітаційних. Гравітаційні сили завжди є силами тяжіння.

Одним з фундаментальних законів природи є експериментально встановлений закон збереження електричного заряду.

В ізольованій системі алгебраїчна сума зарядів всіх тіл залишається постійною: q1 + q2 + q3 +. + Qn = const.

Закон збереження електричного заряду стверджує, що в замкнутій системі тіл не можуть спостерігатися процеси народження або зникнення зарядів тільки одного знака.

З сучасної точки зору, носіями зарядів є елементарні частинки. Всі звичайні тіла складаються з атомів. до складу яких входять позитивно заряджені протони. негативно заряджені електрони і нейтральні частинки - нейтрони. Протони і нейтрони входять до складу атомних ядер, електрони утворюють електронну оболонку атомів. Електричні заряди протона і електрона по модулю в точності однакові і рівні елементарного заряду e.

У нейтральному атомі кількість протонів в ядрі дорівнює числу електронів в оболонці. Це число називається атомним номером. Атом даної речовини може втратити один або кілька електронів або придбати зайвий електрон. У цих випадках нейтральний атом перетворюється в позитивно або негативно заряджений іон.

Заряд може передаватися від одного тіла до іншого тільки порціями, що містять ціле число елементарних зарядів. Таким чином, електричний заряд тіла - дискретна величина: q = ± n e (n = 0, 1, 2.).

Фізичні величини, які можуть приймати тільки дискретний ряд значень, називаються квантовими. Елементарний заряд e є квантом (найменшою порцією) електричного заряду. Слід зазначити, що в сучасній фізиці елементарних частинок передбачається існування так званих кварків - частинок з дробовим зарядом ± 1 3 e і ± 2 3 e. Однак, у вільному стані кварки досі спостерігати не вдалося.

У звичайних лабораторних дослідах для виявлення і вимірювання електричних зарядів використовується електро метр - прилад, що складається з металевого стержня і стрілки, яка може обертатися навколо горизонтальної осі (рис. 1.1.1). Стрижень зі стрілкою ізольований від металевого корпусу. При зіткненні зарядженого тіла зі стрижнем електрометрії, електричні заряди одного знака розподіляються по стрижні і стрілкою. Сили електричного відштовхування викликають поворот стрілки на деякий кут, за яким можна судити про заряд, переданому стрижня електрометрії.

Перенесення заряду з зарядженого тіла на електрометрії

Електрометр є досить грубим інструментом; він не дозволяє досліджувати сили взаємодії зарядів. Вперше закон взаємодії нерухомих зарядів був відкритий французьким фізиком Ш. Кулоном в 1785 р У своїх дослідах Кулон вимірював сили тяжіння і відштовхування заряджених кульок за допомогою сконструйованого ним приладу - крутильних терезів (рис. 1.1.2), що відрізнялися надзвичайно високою чутливістю. Так, наприклад, коромисло ваг поверталося на 1 ° під дією сили близько 10 -9 Н.

Ідея вимірювань грунтувалася на блискучій здогаду Кулона про те, що якщо заряджений кульку привести в контакт з точно таким же незарядженим, то заряд першого розділиться між ними порівну. Таким чином, був зазначений спосіб змінювати заряд кульки в два, три і т. Д. Раз. У дослідах Кулона вимірювалося взаємодія між кульками, розміри яких багато менше відстані між ними. Такі заряджені тіла прийнято називати точковими зарядами.

Точковим зарядом називають заряджене тіло, розмірами якого в умовах даної задачі можна знехтувати.

Прилад Кулона Сили взаємодії однойменних і різнойменних зарядів

На підставі численних дослідів Кулон встановив наступний закон:

Сили взаємодії нерухомих зарядів прямо пропорційні добутку модулів зарядів і обернено пропорційні квадрату відстані між ними: F = k | q 1 | ċ | q 2 | r 2.

Сили взаємодії підпорядковуються третім законом Ньютона: F → 1 = - F → 2. Вони є силами відштовхування при однакових знаках зарядів і силами тяжіння при різних знаках (рис. 1.1.3). Взаємодія нерухомих електричних зарядів називають електростатичним або кулоновским взаємодією. Розділ електродинаміки, що вивчає кулонівської взаємодії, називають електростатикою.

Закон Кулона справедливий для точкових заряджених тел. Практично закон Кулона добре виконується, якщо розміри заряджених тел багато менше відстані між ними.

Коефіцієнт пропорційності k в законі Кулона залежить від вибору системи одиниць. У Міжнародній системі СІ за одиницю заряду прийнятий кулон (Кл).

Кулон - це заряд, що проходить за 1 с через поперечний переріз провідника при силі струму 1 А. Одиниця сили струму (ампер) в СІ є поряд з одиницями довжини, часу і маси основною одиницею виміру.

Коефіцієнт k в системі СІ зазвичай записують у вигляді: k = 1 4 π ε 0. де ε 0 = 8,85 ċ 10 - 12 Кл 2 H ċ м 2 - електрична постійна.

В системі СІ елементарний заряд e дорівнює:

e = 1,602177ċ10 -19 Кл ≈ 1,6ċ10 -19 Кл.

Досвід показує, що сили кулонівського взаємодії підкоряються принципу суперпозиції.

Якщо заряджене тіло взаємодіє одночасно з декількома зарядженими тілами, то результуюча сила, що діє на дане тіло, дорівнює векторній сумі сил, що діють на це тіло з боку всіх інших заряджених тіл.

Мал. 1.1.4 пояснює принцип суперпозиції на прикладі електростатичного взаємодії трьох заряджених тел.

Принцип суперпозиції електростатичних сил F → 1 = F → 21 + F → 31; F → 2 = F → 12 + F → 32; F → 3 = F → 13 + F → 23. Взаємодія точкових зарядів

Принцип суперпозиції є фундаментальним законом природи. Однак, його застосування вимагає певної обережності, в тому випадку, коли мова йде про взаємодію заряджених тіл кінцевих розмірів (наприклад, двох провідних заряджених куль 1 і 2). Якщо до системи з двох заряджених куль поднсті третій заряджений кулю, то взаємодія між 1 і 2 зміниться через перерозподіл зарядів.

Принцип суперпозиції стверджує, що при заданому (фіксованому) розподілі зарядів на всіх тілах сили електростатичного взаємодії між будь-якими двома тілами не залежить від наявності інших заряджених тіл.