Публикации по материалам Д. Джанколи. "Физика в двух томах" 1984 г. Том 2.
Между электрическими зарядами действует сила. Как она зависит от величины зарядов и других факторов?
Этот вопрос исследовал в 1780-е годы французский физик Шарль Кулон (1736-1806). Он воспользовался
крутильными весами, очень похожими на те, которые применял Кавендиш для определения гравитационной постоянной.
Если к шарику на конце стержня, подвешенного на нити, подности заряд, стержень слегка отклоняется, нить закручивается,
и угол поворота нити будет пропорционален действующей между зарядами силе (крутильные весы).
С помощью этого прибора Кулон определил зависимость силы от величины зарядов и расстояния между ними.
В те времена еще не было приборов для точного определения величины заряда, но
Кулон сумел приготовить небольшие шарики с известным соотношением зарядов.
Если заряженный проводящий шарик, рассуждал он, привести в соприкосновение с точно таким же незаряженным шариком,
то имевшийся на первом заряд в силу симметрии распределится поровну между двумя шариками.
Это дало ему возможность получать заряды, составлявшие 1/2, 1/4 и т.д. от первоначального.
Несмотря на некоторые трудности, связанные с индуцированием зарядов, Кулону удалось доказать, что сила,
с которой одно заряженное тело действует на другое малое заряженное тело, прямо пропорциональна электрическому заряду каждого из них.
Другими словами, если заряд любого из этих тел удвоить, то удвоится и сила;
если же удвоить одновременно заряды обоих тел, то сила станет вчетверо больше. Это справедливо при условии, что расстояние
между телами остается постоянным.
Изменяя расстояние между телами, Кулон обнаружил, что действующая между ними сила обратно пропорциональна квадрату
расстояния: если расстояние, скажем, удваивается, сила становится вчетверо меньше.
Итак, заключил Кулон, сила, с которой одно малое заряженное тело (в идеальном случае -точечный заряд, т.е. тело, подобно материальной точке не имеющее пространственных размеров) действует на другое заряженное тело, пропорциональна произведению их зарядов Q 1 и Q 2 и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними:
Здесь k
-коэффициент пропорциональности.
Это соотношение известно как закон Кулона; его справедливость подтверждена тщательными экспериментами,
гораздо более точными, чем первоначальные трудно воспроизводимые опыты Кулона.
Показатель степени 2 установлен в настоящее время с точностью 10 -16 , т.е. он равен
2 ± 2×10 -16 .
Коль скоро мы теперь имеем дело с новой величиной - электрическим зарядом, мы можем подобрать такую единицу измерения,
чтобы постоянная к в формуле равнялась единице.
И действительно, такая система единиц еще недавно широко использовалась в физике.
Речь идет о системе СГС (сантиметр-грамм-секунда), в которой используется электростатическая единица заряда СГСЭ. По определению два малых тела, каждое с зарядом 1 СГСЭ, расположенные на расстоянии 1 см друг от друга, взаимодействуют с силой 1 дина.
Теперь, однако, заряд чаще всего выражают в системе СИ, где его единицей является кулон (Кл).
Точное определение кулона через электрический ток и магнитное поле мы приведем позднее.
В системе СИ постоянная k
имеет величину k
= 8,988×10 9 Нм 2 /Кл 2 .
Заряды, возникающие при электризации трением обычных предметов (расчески, пластмассовой линейки и т.п.),
по порядку величины составляют микрокулон и меньше (1 мкКл = 10 -6 Кл).
Заряд электрона (отрицательный) приблизительно равен 1,602×10 -19 Кл.
Это наименьший известный заряд; он имеет фундаментальное значение и обозначается символом е
, его часто называют элементарным зарядом.
е
= (1,6021892 ± 0,0000046)×10 -19 Кл, или е
≈ 1,602×10 -19 Кл.
Поскольку тело не может приобрести или потерять долю электрона, суммарный заряд тела должен быть целым кратным элементарного заряда. Говорят, что заряд квантуется (т.е. может принимать лишь дискретные значения). Однако, поскольку заряд электрона е очень мал, мы обычно не замечаем дискретности макроскопических зарядов (заряду 1 мкКл соответствуют примерно 10 13 электронов) и считаем заряд непрерывным.
Формула Кулона характеризует силу, с которой один заряд действует на другой. Эта сила направлена вдоль линии, соединяющей заряды.
Если знаки зарядов одинаковы, то силы, действующие на заряды, направлены в противоположные стороны.
Если же знаки зарядов различны, то действующие на заряды силы направлены навстречу друг другу.
Заметим, что в соответствии с третьим законом Ньютона сила, с которой один заряд действует на другой,
равна по величине и противоположна по направлению силе, с которой второй заряд действует на первый.
Закон Кулона можно записать в векторной форме подобно закону всемирного тяготения Ньютона:
где F
12 - вектор силы, действующей на заряд Q
1 со стороны заряда Q
2,
- расстояние между зарядами,
- единичный вектор, направленный от Q
2 к Q
1.
Следует иметь в виду, что формула применима лишь к телам, расстояние между которыми значительно больше их собственных размеров.
В идеальном случае это точечные заряды. Для тел конечного размера не всегда ясно, как отсчитывать расстояние r
между ними, тем
более что распределение заряда может быть и неоднородным.
Если оба тела - сферы с равномерным распределением заряда, то r
означает расстояние между центрами сфер.
Важно также понимать, что формула определяет силу, действующую на данный заряд со стороны единственного заряда.
Если система включает несколько (или много) заряженных тел, то результирующая сила, действующая на данный заряд,
будет равнодействующей (векторной суммой) сил, действующих со стороны остальных зарядов.
Постоянная к в формуле Закона Кулона обычно выражается через другую константу, ε 0
, так называемую
электрическую постоянную, которая связана с k
соотношением k =
1/(4πε 0)
.
С учетом этого закон Кулона можно переписать в следующем виде:
где с наивысшей на сегодня точностью
или округленно
Запись большинства других уравнений электромагнитной теории упрощается при использовании ε 0 , поскольку 4π в окончательном результате часто сокращается. Поэтому мы будем обычно использовать Закон Кулона, считая, что:
Закон Кулона описывает силу, действующую между двумя покоящимися зарядами. Когда заряды движутся, между ними возникают дополнительные силы, и их мы обсудим в последующих главах. Здесь же рассматриваются только покоящиеся заряды; этот раздел учения об электричестве называется электростатикой .
Продолжение следует. Коротко о следующей публикации:
Электрическое поле - один из двух компонентов электромагнитного поля, представляющий собой векторное поле, существующее вокруг тел или частиц, обладающих электрическим зарядом, либо возникающий при изменении магнитного поля.
Замечания и предложения принимаются и приветствуются!
Энциклопедичный YouTube
1 / 5
✪ Урок 213. Электрические заряды и их взаимодействие. Закон Кулона
✪ 8 кл - 106. Закон Кулона
✪ Закон Кулона
✪ физика ЗАКОН КУЛОНА решение задач
✪ Урок 215. Задачи на закон Кулона - 1
Субтитры
Формулировки
Сила взаимодействия двух точечных зарядов в вакууме направлена вдоль прямой, соединяющей эти заряды, пропорциональна их величинам и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Она является силой притяжения, если знаки зарядов разные, и силой отталкивания, если эти знаки одинаковы.
Важно отметить, что для того, чтобы закон был верен, необходимы:
- Точечность зарядов, то есть расстояние между заряженными телами должно быть много больше их размеров. Впрочем, можно доказать, что сила взаимодействия двух объёмно распределённых зарядов со сферически симметричными непересекающимися пространственными распределениями равна силе взаимодействия двух эквивалентных точечных зарядов, размещённых в центрах сферической симметрии;
- Их неподвижность. Иначе вступают в силу дополнительные эффекты: магнитное поле движущегося заряда и соответствующая ему дополнительная сила Лоренца , действующая на другой движущийся заряд;
- Расположение зарядов в вакууме .
Однако с некоторыми корректировками закон справедлив также для взаимодействий зарядов в среде и для движущихся зарядов.
В векторном виде в формулировке Ш. Кулона закон записывается следующим образом:
F → 12 = k ⋅ q 1 ⋅ q 2 r 12 2 ⋅ r → 12 r 12 , {\displaystyle {\vec {F}}_{12}=k\cdot {\frac {q_{1}\cdot q_{2}}{r_{12}^{2}}}\cdot {\frac {{\vec {r}}_{12}}{r_{12}}},}где F → 12 {\displaystyle {\vec {F}}_{12}} - сила, с которой заряд 1 действует на заряд 2; q 1 , q 2 {\displaystyle q_{1},q_{2}} - величина зарядов; r → 12 {\displaystyle {\vec {r}}_{12}} - радиус-вектор (вектор, направленный от заряда 1 к заряду 2, и равный, по модулю, расстоянию между зарядами - r 12 {\displaystyle r_{12}} ); k {\displaystyle k} - коэффициент пропорциональности.
Коэффициент k
k = 1 ε . {\displaystyle k={\frac {1}{\varepsilon }}.} k = 1 4 π ε ε 0 . {\displaystyle k={\frac {1}{4\pi \varepsilon \varepsilon _{0}}}.}Закон Кулона в квантовой механике
Закон Кулона с точки зрения квантовой электродинамики
История
Впервые исследовать экспериментально закон взаимодействия электрически заряженных тел предложил Г. В. Рихман в 1752-1753 гг. Он намеревался использовать для этого сконструированный им электрометр-«указатель». Осуществлению этого плана помешала трагическая гибель Рихмана.
Примерно за 11 лет до Кулона, в 1771 г., закон взаимодействия зарядов был экспериментально открыт Г. Кавендишем , однако результат не был опубликован и долгое время (свыше 100 лет) оставался неизвестным. Рукописи Кавендиша были вручены Д. К. Максвеллу лишь в 1874 г одним из потомков Кавендиша на торжественном открытии Кавендишской лаборатории и опубликованы в 1879 г.
Сам Кулон занимался исследованием кручения нитей и изобрел крутильные весы . Он открыл свой закон, измеряя с помощью них силы взаимодействия заряженных шариков.
Закон Кулона, принцип суперпозиции и уравнения Максвелла
Степень точности закона Кулона
Закон Кулона - экспериментально установленный факт. Его справедливость неоднократно подтверждалась всё более точными экспериментами. Одним из направлений таких экспериментов является проверка того, отличается ли показатель степени r в законе от 2. Для поиска этого отличия используется тот факт, что если степень точно равна двум, то поле внутри полости в проводнике отсутствует, какова бы ни была форма полости или проводника .
Такие опыты впервые провел Кавендиш и повторил Максвелл в усовершенствованном виде, получив для максимального отличия показателя в степени от двух величину 1 21600 {\displaystyle {\frac {1}{21600}}}
Эксперименты, проведённые в 1971 г. в США Э. Р. Уильямсом, Д. Е. Фоллером и Г. А. Хиллом, показали, что показатель степени в законе Кулона равен 2 с точностью до (3 , 1 ± 2 , 7) × 10 − 16 {\displaystyle (3,1\pm 2,7)\times 10^{-16}} .
Для проверки точности закона Кулона на внутриатомных расстояниях У. Ю. Лэмбом и Р. Резерфордом в 1947 г. были использованы измерения относительного расположения уровней энергии водорода. Было установлено, что и на расстояниях порядка атомных 10 −8 см, показатель степени в законе Кулона отличается от 2 не более чем на 10 −9 .
Коэффициент k {\displaystyle k} в законе Кулона остается постоянным с точностью до 15⋅10 −6 .
Поправки к закону Кулона в квантовой электродинамике
На небольших расстояниях (порядка комптоновской длины волны электрона , λ e = ℏ m e c {\displaystyle \lambda _{e}={\tfrac {\hbar }{m_{e}c}}} ≈3.86⋅10 −13 м , где m e {\displaystyle m_{e}} - масса электрона , ℏ {\displaystyle \hbar } - постоянная Планка , c {\displaystyle c} - скорость света) становятся существенными нелинейные эффекты квантовой электродинамики: на обмен виртуальными фотонами накладывается генерация виртуальных электрон -позитронных (а также мюон -антимюонных и таон -антитаонных) пар, а также уменьшается влияние экранирования (см. перенормировка). Оба эффекта ведут к появлению экспоненциально убывающих членов порядка e − 2 r / λ e {\displaystyle e^{-2r/\lambda _{e}}} в выражении для потенциальной энергии взаимодействия зарядов и, как результат, к увеличению силы взаимодействия по сравнению с вычисляемой по закону Кулона.
Φ (r) = Q r ⋅ (1 + α 4 π e − 2 r / λ e (r / λ e) 3 / 2) , {\displaystyle \Phi (r)={\frac {Q}{r}}\cdot \left(1+{\frac {\alpha }{4{\sqrt {\pi }}}}{\frac {e^{-2r/\lambda _{e}}}{(r/\lambda _{e})^{3/2}}}\right),}где λ e {\displaystyle \lambda _{e}} - комптоновская длина волны электрона, α = e 2 ℏ c {\displaystyle \alpha ={\tfrac {e^{2}}{\hbar c}}} - постоянная тонкой структуры и r ≫ λ e {\displaystyle r\gg \lambda _{e}} .
На расстояниях порядка λ W = ℏ m w c {\displaystyle \lambda _{W}={\tfrac {\hbar }{m_{w}c}}} ~ 10 −18 м, где m w {\displaystyle m_{w}} - масса W-бозона , в игру вступают уже электрослабые эффекты.
В сильных внешних электромагнитных полях, составляющих заметную долю от поля пробоя вакуума (порядка m e c 2 e λ e {\displaystyle {\tfrac {m_{e}c^{2}}{e\lambda _{e}}}} ~10 18 В/м или m e c e λ e {\displaystyle {\tfrac {m_{e}c}{e\lambda _{e}}}} ~10 9 Тл, такие поля наблюдаются, например, вблизи некоторых типов нейтронных звёзд , а именно магнитаров) закон Кулона также нарушается в силу дельбрюковского рассеяния обменных фотонов на фотонах внешнего поля и других, более сложных нелинейных эффектов. Это явление уменьшает кулоновскую силу не только в микро- но и в макромасштабах, в частности, в сильном магнитном поле кулоновский потенциал падает не обратно пропорционально расстоянию, а экспоненциально .
Закон Кулона и поляризация вакуума
Закон Кулона и сверхтяжелые ядра
Значение закона Кулона в истории науки
Закон Кулона является первым открытым количественным и сформулированным на математическом языке фундаментальным законом для электромагнитных явлений. С открытия закона Кулона началась современная наука об электромагнетизме .
См. также
Ссылки
- Закон Кулона (видеурок, программа 10 класса)
Примечания
- Сивухин Д. В. Общий курс физики. - М. : Физматлит ; Изд-во МФТИ , 2004. - Т. III. Электричество. - С. 17. - 656 с. - ISBN 5-9221-0227-3 .
- Ландау Л. Д. , Лифшиц Е. М. Теоретическая физика: Учеб. пособ.: Для вузов. В 10 т . Т. 2 Теория поля. - 8-е изд., стереот. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2001. - 536 с. -
Так же как в ньютоновой механике гравитационное взаимодействие всегда имеет место между телами обладающими массами, аналогичным образом в электродинамике электрическое взаимодействие свойственно телам, обладающим электрическими зарядами. Обозначается электрический заряд символом «q» или «Q».
Можно даже сказать, что понятие электрического заряда q в электродинамике чем-то схоже с понятием гравитационной массы m в механике. Но в отличие от гравитационной массы, электрический заряд характеризует свойство тел и частиц вступать в силовые электромагнитные взаимодействия, и эти взаимодействия, как вы понимаете, не являются гравитационными.
Электрические заряды
Человеческий опыт исследования электрических явлений содержит множество экспериментальных результатов, и все эти факты позволили физикам прийти к следующим однозначным выводам относительно электрических зарядов:
1. Электрические заряды бывают двух родов - условно их можно разделить на положительные и отрицательные.
2. От одного заряженного предмета к другому электрические заряды можно передавать: допустим, путем соприкосновения тел друг с другом - заряд между ними можно разделить. При этом электрический заряд вовсе не является обязательной составной частью тела: в различных условиях один и тот же предмет может обладать разным по величине и по знаку зарядом, либо заряд может отсутствовать. Таким образом, заряд не является чем-то неотъемлемым для носителя, и в то же самое время заряд не может существовать без носителя заряда.
3. В то время как гравитирующие тела всегда притягиваются друг к другу, электрические заряды могут как взаимно притягиваться, так и взаимно отталкиваться. Разноименные заряды взаимно притягиваются, одноименные - друг от друга отталкиваются.
Закон сохранения электрического заряда - фундаментальный закон природы, он звучит так: «алгебраическая сумма зарядов всех тел внутри изолированной системы остается постоянной». Это значит, что внутри замкнутой системы невозможно появление или исчезновение зарядов лишь одного знака.
Сегодня научная точка зрения такова, что изначально носители заряда - это элементарные частицы. Элементарные частицы нейтроны (электрически нейтральные), протоны (положительно заряженные) и электроны (заряженные отрицательно) образуют атомы.
Из протонов и нейтронов состоят ядра атомов, а электроны образуют оболочки атомов. Модули зарядов электрона и протона равны по величине элементарному заряду е, но по знаку заряды этих частиц противоположны между собой.
Что касается непосредственно взаимодействия электрических зарядов друг с другом, то в 1785 году французский физик Шарль Кулон экспериментально установил и описал этот основной закон электростатики, фундаментальный закон природы, ни из каких других законов не вытекающий. Ученый в своей работе изучал взаимодействие неподвижных точечных заряженных тел, и измерял силы их взаимного отталкивания и притяжения.
Кулон экспериментально установил следующее: "Силы взаимодействия неподвижных зарядов прямо пропорциональны произведению модулей и обратно пропорциональны квадрату расстояния между ними".
Это и есть формулировка Закона Кулона. И хотя точечных зарядов в природе не существует, только применительно к точечным зарядам и можно говорить о расстоянии между ними, в рамках данной формулировки Закона Кулона.
На самом же деле, если расстояния между телами сильно превосходят их размеры, то ни размер, ни форма заряженных тел, особо не повлияют на их взаимодействие, а значит тела для данной задачи справедливо можно будет считать точечными.
Рассмотрим такой пример. Подвесим на нитках пару заряженных шаров. Поскольку они как-то заряжены, то станут либо отталкиваться друг от друга, либо притягиваться друг к другу. Так как силы направлены вдоль прямой, соединяющей данные тела, - силы эти центральные.
Для обозначения сил, действующих со стороны каждого из зарядов на другой, запишем: F12 – сила действия второго заряда на первый, F21 – сила действия первого заряда на второй, r12 – радиус-вектор от второго точечного заряда к первому. Если заряды имеют одинаковый знак, то сила F12 будет сонаправлена радиусу-вектору, если же у зарядов разные знаки - F12 будет направлена противоположно радиусу-вектору.
При помощи закона взаимодействия точечных зарядов (Закона Кулона) можно теперь находить силу взаимодействия для любых точечных зарядов или точечных заряженных тел. Если же тела не точечные, то их мысленно разбивают на мелке элементы, каждый из которых можно было бы принять за точечный заряд.
После нахождения сил, действующих между всеми мелкими элементами, силы эти геометрически складывают, - находят результирующую силу. Элементарные частицы тоже взаимодействуют друг с другом согласно Закону Кулона, и по сей день не замечено никаких нарушений этого фундаментального закона электростатики.
В современной электротехнике нет области, где в том или ином виде не работал бы Закон Кулона. Начиная с электрического тока, заканчивая просто заряженным конденсатором. Особенно те области, которые касаются электростатики, - они на 100% связаны с Законом Кулона. Рассмотрим только несколько примеров.
Простейший случай - введение диэлектрика. Сила взаимодействия зарядов в вакууме всегда больше силы взаимодействия тех же зарядов в условиях, когда между ними расположен какой-то диэлектрик.
Диэлектрическая проницаемость среды - это как раз та величина, которая позволяет количественно определить значения сил, независимо от расстояния между зарядами и от их величин. Достаточно силу взаимодействия зарядов в вакууме разделить на диэлектрическую проницаемость внесенного диэлектрика - получим силу взаимодействия в присутствии диэлектрика.
Сложное исследовательское оборудование - ускоритель заряженных частиц. Базируется работа ускорителей заряженных частиц на явлении взаимодействия электрического поля и заряженных частиц. Электрическое поле совершает в ускорителе работу увеличивая энергию частицы.
Если рассмотреть здесь ускоряемую частицу как точечный заряд, а действие ускоряющего электрического поля ускорителя - как суммарную силу со стороны других точечных зарядов, то и в этом случае полностью соблюдается Закон Кулона. Магнитное поле лишь направляет частицу силой Лоренца, но не изменяет её энергии, только задаёт траекторию для движения частиц в ускорителе.
Защитные электротехнические сооружения. Важные электроустановки всегда оснащаются такой простой на первый взгляд вещью, как молниеотвод. А молниеотвод в своей работе тоже не обходится без соблюдения Закона Кулона. Во время грозы на Земле появляются большие индуцированные заряды - согласно Закону Кулона притягиваются в направлении грозового облака. На поверхности Земли возникает в результате сильное электрическое поле.
Напряжённость этого поля особенно велика возле острых проводников, и поэтому на заостренном конце молниеприемника зажигается коронный разряд - заряд из Земли стремится, повинуясь Закону Кулона, притянуться к противоположному заряду грозового облака.
Воздух вблизи молниеотвода в результате коронного разряда сильно ионизируется. Вследствие этого напряжённость электрического поля вблизи острия уменьшается (как и внутри любого проводника), индуцированные заряды не могут накапливаться на здании и вероятность возникновения молнии снижается. Если же молния, так случится, ударит в молниеотвод, то заряд просто уйдет в Землю, не повредит установку.
§ 2. Взаимодействие зарядов. Закон Кулона
Электрические заряды взаимодействуют между собой, т. е. одноименные заряды взаимно отталкиваются, а разноименные притягиваются. Силы взаимодействия электрических зарядов определяются законом Кулона
и направлены по прямой линии, соединяющей точки, в которых сосредоточены заряды.
Согласно закону Кулона, сила взаимодействия двух точечных электрических зарядов прямо пропорциональна произведению количеств электричества в этих зарядах, обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними и зависит от среды, в которой находятся заряды:
где F
- сила взаимодействия зарядов, н
(ньютон);
Один ньютон содержит ≈ 102 г
силы.
q
1 , q
2 - количество электричества каждого заряда, к
(кулон);
Один кулон содержит 6,3 · 10 18 зарядов электрона.
r
- расстояние между зарядами, м
;
ε а - абсолютная диэлектрическая проницаемость среды (материала); эта величина характеризует электрические свойства той среды, в которой находятся взаимодействующие заряды. В Международной системе единиц (СИ) ε а измеряется в (ф/м
). Абсолютная диэлектрическая проницаемость среды
где ε 0 - электрическая постоянная, равная абсолютной диэлектрической проницаемости вакуума (пустоты). Она равна 8,86 · 10 -12 ф/м
.
Величина ε, показывающая, во сколько раз в данной среде электрические заряды взаимодействуют между собой слабее, чем в вакууме (табл. 1), называется диэлектрической проницаемостью
.
Величина ε есть отношение абсолютной диэлектрической проницаемости данного материала к диэлектрической проницаемости вакуума:
Для вакуума ε = 1. Диэлектрическая проницаемость воздуха практически близка к единице.
Таблица 1
Диэлектрическая проницаемость некоторых материалов
На основании закона Кулона можно сделать вывод, что большие электрические заряды взаимодействуют сильнее, чем малые. С увеличением расстояния между зарядами сила их взаимодействия значительно слабее. Так, с увеличением расстояния между зарядами в 6 раз уменьшается сила их взаимодействия в 36 раз. При сокращении расстояния между зарядами в 9 раз увеличивается сила их взаимодействия в 81 раз. Взаимодействие зарядов также зависит от материала, находящегося между зарядами.
Пример.
Между электрическими зарядами Q
1 = 2 · 10 -6 к
и Q
2 = 4,43 · 10 -6 к
, расположенными на расстоянии 0,5 м
, помещена слюда (ε = 6). Вычислить силу взаимодействия указанных зарядов.
Решение
. Подставляя в формулу значения известных величин, получим:
Если в вакууме электрические заряды взаимодействуют с силой F в, то, поместив между этими зарядами, например, фарфор, их взаимодействие можно ослабить в 6,5 раз, т. е. в ε раз. Это значит, что сила взаимодействия между зарядами может быть определена как отношение
Пример.
Одноименные электрические заряды взаимодействуют в вакууме с силой F
в = 0,25 н
. С какой силой будут отталкиваться два заряда, если пространство между ними заполнено бакелитом? Диэлектрическая проницаемость этого материала равна 5.
Решение
. Сила взаимодействия электрических зарядов
Так как один ньютон ≈ 102 г силы, то 0,05 н составляет 5,1 г .
Закон Кулона количественно описывает взаимодействие заряженных тел. Он является фундаментальным законом, то есть установлен при помощи эксперимента и не следует ни из какого другого закона природы. Он сформулирован для неподвижных точечных зарядов в вакууме. В реальности точечных зарядов не существует, но такими можно считать заряды, размеры которых значительно меньше расстояния между ними. Сила взаимодействия в воздухе почти не отличается от силы взаимодействия в вакууме (она слабее менее чем на одну тысячную).
Электрический заряд – это физическая величина, характеризующая свойство частиц или тел вступать в электромагнитные силовые взаимодействия.
Впервые закон взаимодействия неподвижных зарядов был открыт французским физиком Ш. Кулоном в 1785 г. В опытах Кулона измерялось взаимодействие между шариками, размеры которых много меньше расстояния между ними. Такие заряженные тела принято называть точечными зарядами .
На основании многочисленных опытов Кулон установил следующий закон:
Сила взаимодействия двух неподвижных точечных электрических зарядов в вакууме прямо пропорциональна произведению их модулей и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Она направлена вдоль прямой, соединяющей заряды, и является силой притяжения, если заряды разноименные, и силой отталкивания, если заряды одноименные.
Если обозначить модули зарядов через |q 1 | и |q 2 |, то закон Кулона можно записать в следующей форме:
\[ F = k \cdot \dfrac{\left|q_1 \right| \cdot \left|q_2 \right|}{r^2} \]
Коэффициент пропорциональности k в законе Кулона зависит от выбора системы единиц.
\[ k=\frac{1}{4\pi \varepsilon _0} \]
Полная формула закона Кулона:
\[ F = \dfrac{\left|q_1 \right|\left|q_2 \right|}{4 \pi \varepsilon_0 \varepsilon r^2} \]
\(F \) - Сила Кулона
\(q_1 q_2 \) - Электрический заряд тела
\(r \) - Расстояние между зарядами
\(\varepsilon_0 = 8,85*10^{-12} \) - Электрическая постоянная
\(\varepsilon \) - Диэлектрическая проницаемость среды
\(k = 9*10^9 \) - Коэффициент пропорциональности в законе Кулона
Силы взаимодействия подчиняются третьему закону Ньютона: \(\vec{F}_{12}=\vec{F}_{21} \) . Они являются силами отталкивания при одинаковых знаках зарядов и силами притяжения при разных знаках.
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.
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.
Отметим, чтоб выполнялся закон Кулона необходимо 3 условия:
- Точечность зарядов - то есть расстояние между заряженными телами много больше их размеров.
- Неподвижность зарядов . Иначе вступают в силу дополнительные эффекты: магнитное поле движущегося заряда и соответствующая ему дополнительная сила Лоренца, действующая на другой движущийся заряд.
- Взаимодействие зарядов в вакууме .
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.
В вашем браузере отключен Javascript.Чтобы произвести расчеты, необходимо разрешить элементы ActiveX!
Пример 1
Задача
Заряженный шарик приводят в соприкосновение с точно таким же незаряженным шариком. Находясь на расстоянии \(r = 15 \) см, шарики отталкиваются с силой \(F = 1 \) мН. Каков был первоначальный заряд заряженного шарика?
Решение
При соприкосновении заряд разделится ровно пополам (шарики одинаковые).По данной силе взаимодействия можем определить заряды шариков после соприкосновения (не забудем, что все величины надо представить в единицах СИ – \(F = 10^{-3} \) Н, \(r = 0.15 \) м):
\(F = \dfrac{k\cdot q^2}{r^2} , q^2 = \dfrac{F\cdot r^2}{k} \)
\(k=\dfrac{1}{4\cdot \pi \cdot \varepsilon _0} = 9\cdot 10^9 \)
\(q=\sqrt{\dfrac{f\cdot r^2}{k} } = \sqrt{\dfrac{10^{-3}\cdot (0.15)^2 }{9\cdot 10^9} } = 5\cdot 10^8 \)
Тогда до соприкосновения заряд заряженного шарика был вдвое больше: \(q_1=2\cdot 5\cdot 10^{-8}=10^{-7} \)
Ответ
\(q_1=10^{-7}=10\cdot 10^{-6} \) Кл, или 10 мкКл.
Пример 2
Задача
Два одинаковых маленьких шарика массой по 0,1г каждый подвешены на непроводящих нитях длиной \(\displaystyle{\ell = 1\,{\text{м}}} \) к одной точке. После того как шарикам были сообщены одинаковые заряды \(\displaystyle{q} \) , они разошлись на расстояние \(\displaystyle{r=9\,{\text{см}}} \) . Диэлектрическая проницаемость воздуха \(\displaystyle{\varepsilon=1} \) . Определить заряды шариков.
Данные
\(\displaystyle{m=0,1\,{\text{г}}=10^{-4}\,{\text{кг}}} \)
\(\displaystyle{\ell=1\,{\text{м}}} \)
\(\displaystyle{r=9\,{\text{см}}=9\cdot 10^{-2}\,{\text{м}}} \)
\(\displaystyle{\varepsilon = 1} \)
\(\displaystyle{q} - ? \)
Решение
Поскольку шарики одинаковы, то на каждый шарик действуют одинаковые силы: сила тяжести \(\displaystyle{m \vec g} \), сила натяжения нити \(\displaystyle{\vec T} \)и сила кулоновского взаимодействия (отталкивания) \(\displaystyle{\vec F} \). На рисунке показаны силы, действующие на один из шариков. Поскольку шарик находится в равновесии, сумма всех сил, действующих на него, равна 0. Кроме того, сумма проекций сил на оси \(\displaystyle{OX} \) и \(\displaystyle{OY} \)равна 0:
\(\begin{equation} {{\mbox{на ось }} {OX} : \atop { \mbox{ на ось }} {OY} : }\quad \left\{\begin{array}{ll} F-T\sin{\alpha} & =0 \\ T\cos{\alpha}-mg & =0 \end{array}\right. \quad{\text{или}}\quad \left\{\begin{array}{ll} T\sin{\alpha} & =F \\ T\cos{\alpha} & = mg \end{array}\right. \end{equation} \)
Решим совместно эти уравнения. Разделив первое равенство почленно на второе, получим:
\(\begin{equation} {\mbox{tg}\,}= {F\over mg}\,. \end{equation} \)
Так как угол \(\displaystyle{\alpha} \) мал, то
\(\begin{equation} {\mbox{tg}\,}\approx\sin{\alpha}={r\over 2\ell}\,. \end{equation} \)
Тогда выражение примет вид:
\(\begin{equation} {r\over 2\ell}={F\over mg}\,. \end{equation} \)
Сила \(\displaystyle{F} \)по закону Кулона равна: \(\displaystyle{F=k{q^2\over\varepsilon r^2}} \). Подставим значение \(\displaystyle{F} \)в выражение (52):
\(\begin{equation} {r\over 2\ell}={kq^2\over\varepsilon r^2 mg}\, \end{equation} \)
откуда выразим в общем виде искомый заряд:
\(\begin{equation} q=r\sqrt{r\varepsilon mg\over 2k\ell}\,. \end{equation} \)
После подстановки численных значений будем иметь:
\(\begin{equation} q= 9\cdot 10^{-2}\sqrt{9\cdot 10^{-2}\cdot 1 \cdot 10^{-4}\cdot 9,8\over 2\cdot 9\cdot 10^9\cdot 1}\, {{\text{Кл}}}=6.36\cdot 10^{-9}\, {{\text{Кл}}}\,. \end{equation} \)
Предлагается самостоятельно проверить размерность для расчетной формулы.
Ответ: \(\displaystyle{q=6,36\cdot 10^{-9}\,{\text{Кл}}\,.} \)
Ответ
\(\displaystyle{q=6,36\cdot 10^{-9}\,{\text{Кл}}\,.} \)
Пример 3
Задача
Какую работу надо совершить, чтобы перенести точечный заряд \(\displaystyle{q=6\,{\text{нКл}}} \) из бесконечности в точку, находящуюся на расстоянии \(\displaystyle{\ell = 10\,{\text{см}}} \) от поверхности металлического шарика, потенциал которого \(\displaystyle{\varphi_{\text{ш}}=200\,{\text{В}}} \), а радиус \(\displaystyle{R = 2\,{\text{см}}} \)? Шарик находится в воздухе (считать \(\displaystyle{\varepsilon=1} \)).
Данные
\(\displaystyle{q=6\,{\text{нКл}}=6\cdot 10^{-9}\,{\text{Кл}}} \)\(\displaystyle{\ell=10\,{\text{см}}} \)\(\displaystyle{\varphi_{\text{ш}}=200\,{\text{В}}} \)\(\displaystyle{R=2\,{\text{см}}} \) \(\displaystyle{\varepsilon = 1} \) \(\displaystyle{A} \) - ?
Решение
Работа, которую необходимо совершить, чтобы перенести заряд из точки с потенциалом \(\displaystyle{\varphi_1} \) в точку с потенциалом \(\displaystyle{\varphi_2} \) , равна изменению потенциальной энергии точечного заряда, взятому с обратным знаком:
\(\begin{equation} A=-\Delta W_n\,. \end{equation} \)
Известно, что \(\displaystyle{A=-q(\varphi_2-\varphi_1) } \) или
\(\begin{equation} A=q(\varphi_1-\varphi_2) \,. \end{equation} \)
Поскольку точечный заряд первоначально находится на бесконечности, то потенциал в этой точке поля равен 0: \(\displaystyle{\varphi_1=0} \) .
Определим потенциал в конечной точке, то есть \(\displaystyle{\varphi_2} \) .
Пусть \(\displaystyle{Q_{\text{ш}}} \) – заряд шарика. По условию задачи потенциал шарика известен (\(\displaystyle{\varphi_{\text{ш}}=200\,{\text{В}}} \)) , тогда:
\(\begin{equation} \varphi_{\text{ш}}={Q_{\text{ш}}\over 4\pi\varepsilon_o\varepsilon R}\, \end{equation} \)
\(\begin{equation} {\text{откуда}}\quad Q_{\text{ш}}=\varphi_{\text{ш}}\cdot 4\pi\varepsilon_o\varepsilon R\,. \end{equation} \)
Значение потенциала поля в конечной точке с учетом:
\(\begin{equation} \varphi_2={Q_{\text{ш}}\over 4\pi\varepsilon_o\varepsilon(R+\ell) }= {\varphi_{\text{ш}}R\over (R+\ell) }\,. \end{equation} \)
Подставим в выражение значение \(\displaystyle{\varphi_1} \) и \(\displaystyle{\varphi_2} \) , после чего получим искомую работу:
\(\begin{equation} A=-q{\varphi_{\text{ш}}R\over (R+\ell) }\,. \end{equation} \)
В результате расчетов получим: \(\displaystyle{A=-2\cdot 10^{-7}\,{\text{Дж}}} \) .
Тогда модуль силы взаимодействия между соседними зарядами равен:
\(F = \dfrac{k\cdot q^2}{l^{2}_{1}} =\Delta l\cdot k_{pr} \)
Причем удлинение шнура равно: \(\Delta l = l \).
Откуда величина заряда равна:
\(q=\sqrt{\frac{4\cdot l^3\cdot k_{pr}}{k} } \)
Ответ
\(q=2\cdot l\cdot \sqrt{\frac{l\cdot k_{pr}}{k} } \)