Електромагнітна взаємодія. Електричне поле
Електромагнітна взаємодія
Усі види сил пружності й тертя мають електромагнітну природу; життєдіяльність рослин, організмів тварин і людей базується на електромагнітних взаємодіях. Вивчає цю взаємодію електродинаміка – наука про властивості електромагнітного поля, через яке здійснюється взаємодія електрично заряджених тіл або частинок. Якщо електрично заряджені тіла або частинки перебувають у спокої, їх взаємодія розглядається в розділі електродинаміки, який називають електростатикою.
Електромагнітна взаємодія — найбільш досліджена з чотирьох фундаментальних фізичних взаємодій, адже нею зумовлено більшість явищ у світі, які оточують людину. Електромагнітна взаємодія відповідає за притягання електронів до ядер атомів, а тому відповідає за формування атомів та молекул і за їхні властивості. Проявом електромагнітної взаємодії є також світло — потік фотонів.
Електричний заряд ― фізична величина, за допомогою якої описується поведінка тіла відносно інших заряджених тіл.
Одиниця електричного заряду в СІ ― кулон.
Електричний заряд – це фізична величина, яка характеризує властивості частинок або тіл вступати в електромагнітні силові взаємодії.
Прилипання папірців до скляної і до ебонітовою палички
Електризація скляної палички при терті шовком. Обидва тіла отримують рівні за величиною і протилежні за наком електричні заряди
Поясніть чому куля між пластинами, що мають різнойменні заряди, саме так рухається
Поясніть як відбувається перерозподіл електричного заряду двох електрометрів
Фундаментальні властивості зарядів частинок.
В природі існує два види електричних зарядів: додатні (позитивні) та від’ємні (негативні).
Заряди можуть передаватись ( наприклад, під час контакту ) від одного тіла до іншого. На відміну від маси електричний заряд не є невід’ємною характеристикою тіла. Одне і те ж тіло в різних умовах може мати різний електричний заряд.
Однойменні заряди відштовхуються, а різнойменні – притягуються. В цьому також проявляється принципова відмінність електромагнітних сил від гравітаційних. Гравітаційні сили завжди є силами притягання.
Одним з фундаментальних законів природи є експериментально встановлений закон збереження електричного заряду.
В ізольованій системі алгебраїчна сума зарядів всіх тіл залишається сталою: q1+q2+q3+ … = const
Закон збереження електричного заряду стверджує, що в ізольованій (замкненій) системі тіл не можуть спостерігатись явища народження або зникнення зарядів лише одного знаку.
З погляду сучасної науки носіями електричного заряду є елементарні частинки.
Всі оточуючі нас тіла складаються з атомів, які в свою чергу складаються з позитивно заряджених протонів, негативно заряджених електронів і нейтральних частинок – нейтронів. Протони і нейтрони входять до складу атомних ядер, електрони утворюють електронні оболонки атомів. Електричні заряди протона і електрона по модулю однакові і дорівнюють елементарному заряду е:
Носіями електричного заряду є: електрон ― елементарна частинка, яка має негативний заряд
Протон ― елементарна частинка, заряд якої протилежний заряду електрона
У разі втрачання або приєднання нейтральним атомом одного, або кількох електронів він перетворюється на заряджену частку з позитивним або негативним зарядом відповідно. Такі атоми називають – позитивні або негативні іони.
Іони (від греч.(грецький) ión — що йде), електрично заряджені частки, що утворюються при втраті або приєднанні електронів (або інших заряджених часток) атомами або групами атомів.
Негативно заряджені іони, що мають більше електронів в своїх електронних оболонках, аніж протонів в ядрах, називаються аніонами і в розчинах притягуються до аноду.
Позитивно заряджені іони, які мають менше електронів, ніж протонів, називаються катіонами і притягуються до катоду.
Електричне поле. Напруженість електричного поля
На початку ХІХ ст. у фізиці з’явилося нове поняття, яким сьогодні означують частину матерії, з якої складається світ – поняття поля. Автором нововведення був британський учений Майкл Фарадей.
Логічно поставити запитання про існування проміжного агента, субстанції, за допомогою якої здійснюється ця взаємодія. На початку ХІХ ст., домінуючою точкою зору у причині природних взаємодій, була точка зору миттєвої взаємодії між предметами на відстані, без будь-який пояснень або носіїв цієї взаємодії. Ця точка зору, підкріплена авторитетом Ісаака Ньютона, уважалася неспростовною істиною, оскільки навіть ліквідація повітря між зарядженими тілами не знищувала їх взаємодію. Молодий учений – експериментатор Майкл Фарадей, 1820 року, висуває сміливу гіпотезу про існування проміжної субстанції в просторі, що відповідала за електричну взаємодію, і називає її електричним полем. Його гіпотеза ґрунтувалася на експерименті, який він провів, спостерігаючи поведінку дрібних непровідних порошинок, які перебували поблизу зарядженого тіла. Відтворення експерименту Фарадея дозволяє не тільки зрозуміти його гіпотезу, а й уявити вигляд цієї субстанції. У 60-х роках цього ж сторіччя, інший британський науковець Джеймс Максвел, зміг побудувати математичну модель електричного поля в поєднанні з полем магнітних взаємодії, яка отримала назву теорії електромагнітного поля. Згодом ця теорія отримала експериментальне підтвердження, що дозволяє сьогодні вважати Майкла Фарадея засновником теорії поля.
Електричне поле − частина матерії, яка оточує заряджені тіла, входить до складу електромагнітного поля й забезпечує електричну взаємодію.
Електростатичне поле – це електричне поле, яке існує навколо нерухомих у даній системі відліку тіл чи частинок, що мають електричний заряд.
Оскільки електричне поле (і взагалі поле) є частиною простору, воно має характеристики, відмінні від характеристик речовини.
Електричне поле
Лінії напруженості. Еквіпотенціальні поверхні
Електричне поле. Характеристики. Пробний заряд
Напруженість
Електризація через вплив, електростатична індукція
Оскільки електричне поле (і взагалі поле) є частиною простору, воно має характеристики, відмінні від характеристик речовини.
Лінії, за допомогою яких зображують електричне поле, називають силовими лініями електричного поля.
Силові лінії поля вважають направленими. За напрямок силової лінії електростатичного приймається напрямок дії сили електричної взаємодії на позитивно заряджену частку у цьому полі. У разі коли заряджених тіл декілька, поле зображується складними кривими.
Електростатичні поля
Взаємодія однойменних зарядів
Взаємодія різнойменних зарядів
Напруженість електричного поля ― силова характеристика, що чисельно дорівнює відношенню сили, яка діє на заряд, поміщений у дану точку простору, до значення цього заряду.
Напруженість електричного поля точкового заряду
Напруженість електричного поля рівномірно зарядженої нескінченої площини,
де поверхнева густина заряду
Напруженість електричного поля сфери радіуса R, заряд якої рівномірно розподілений по її поверхні: Е = 0 при r < R.
Принцип суперпозиції
Якщо за допомогою пробного заряду досліджують електричне поле, яке створене кількома зарядженими тілами, то результуюча сила буде рівною геометричній сумі сил, які діють на пробний заряд з боку кожного зарядженого тіла зокрема. Отже, напруженість електричного поля, яке створене системою зарядів в деякій точці простору, дорівнює векторній сумі напруженостей електричних полів, створених в тій же точці кожним зарядом зокрема: E = E1 + E2 + E3 + …
Ця властивість електричного поля свідчить, що для електричного поля справджується принцип суперпозиції.
Електрична взаємодія точкових зарядів. Закон Кулона
Дослідження кількісного закону взаємодії електризованих тіл розпочалося з експерименту, розробленого британським дослідником Генрі Кавендішем, по розподілу електричного заряду на поверхні порожнистої кулі. За умови, коли електричний заряд передавався кулі із внутрішньої частини, він повністю зосереджувався на її поверхні, у той час коли тіло, що передавало заряд повністю його втрачало. Згодом Д. Бернуллі та Генрі Кавендіш висловлюють точку зору про те, що, сила взаємодії має бути обернено пропорційною квадрату відстані між наелектризованими тілами. Лише при такій умові заряд міг рівномірно розподілитися по поверхні кулі в експерименті Кавендіша.
Російський дослідник Франц Епінус висунув гіпотезу про те, що сила взаємодії наелектризованих тіл пропорційна добутку величин їх зарядів.
Проте дослідне обґрунтування висунутих гіпотез, було отримано в класичному експерименті, проведеному французьким інженером Шарлем Огюстенем Кулоном 1785 року. Детально вивчивши закон, якому підпорядковувалася сила пружності закручених ниток, Кулон створив прилад – торсійні (крутильні) терези, за допомогою якого, він зміг точно вимірювати досить малі сили взаємодії. Терези складаються із двох порожніх скляних циліндрів, різного діаметра, що розміщені на спільній осі. Уздовж осі проходить пружна нитка, з одного боку, приєднана до рукоятки, якою можна було закручувати нитку, а із другої з’єднана з легким коромислом.
Для дослідження сили електричної взаємодії, Кулон використав легкі провідні кульки. Одна з кульок знаходилась на коромислі, зрівноважена противагою, а інша розміщувалася нерухомо на однаковій висоті з першою. На початку експерименту, нерухомій кульці було надано деякий електричний заряд. Після притягання й доторку рухомої кульки, заряд порівну розподілявся між ними і кульки відштовхувались. Вимірюючи кут закручування нитки, Кулон вираховував силу взаємодії. Закручуючи рукояткою нитку, він установлює залежність сили взаємодії від відстані між кульками.
Оскільки виміряти величину заряду кульок було неможливо, Кулон застосував оригінальний метод його зміни. Після рівномірного поділу заряду між кульками й установлення сили взаємодії, він розряджав нерухому кульку і знову приводив її в контакт з зарядженою кулькою коромисла. Таким чином, він міг зменшувати заряд куль щоразу після доторку вдвічі. Вимірюючи щоразу силу взаємодії, та провівши обчислення, Кулон отримав експериментальне обґрунтування кількісного закону, який з того часу носить його ім'я.
Модуль сили взаємодії двох точкових зарядів прямо пропорційний добутку їх модулів і обернено пропорційний квадрату відстані між ними.
Під точковими зарядами необхідно розуміти заряди тіл, розмірами яких у порівнянні з відстанню можна нехтувати.
Закон перевірявся Кулоном як для однойменних, так і для різнойменних зарядів. Хоча точність вимірювань, по сучасним міркам була незначною (приблизно 3 %), закон набув математичної форми. Для взаємодіючих тіл у вакуумі він має вигляд:
де Fк – модуль сили взаємодії, q1, q2 – заряди взаємодіючих тіл, r – відстань між взаємодіючими тілами,
– коефіцієнт пропорційності.
Числове значення коефіцієнта пропорційності, встановлене експериментально відповідає модулю сили взаємодії двох тіл із величиною заряду 1 Кл на відстані 1 м.
для вакууму
― електрична стала
― відносна діелектрична проникність середовища, яка показує, у скільки разів зменшується сила електростатичної взаємодії між зарядами в даному середовищі порівняно з вакуумом
добуток ― абсолютна діелектрична проникність
Речовина, що розділяє взаємодіючі заряди, послаблює електричне поле яке ними створюється. Досліди Кулона проводилися в повітрі, яке впливає на поле досить слабко. У випадку взаємодії тіл у інших речовинах, використовують коефіцієнт послаблення поля, який називається діелектричною проникністю речовини і позначається ε. Для води він, наприклад, рівний 80, тобто вода послаблює взаємодію в 80 раз. Значення цих коефіцієнтів установлюється експериментально та входить до складу таблиць.
Для розв’язування задач ми будемо користуватися спрощеним записом закону Кулона у вигляді
Чим відрізняється простір, що оточує заряджене тіло, від простору, що оточує незаряджене тіло?
Як можна виявити електричне поле?
Як змінюється сила, що діє на заряджену гільзу, коли вона віддалена від зарядженого тіла? Як показати це дослідним шляхом?
Як дослідним шляхом показати, що електричний заряд ділиться на частини?
Чи можна електричний заряд ділити нескінченно?
Завдання для самостійного дослідження
Заряди і поля
Опис
Розташуйте позитивні і негативні заряди в просторі і розгляньте отримане електричне поле і електростатичний потенціал. Сплануйте, які будуть еквіпотенційні лінії і з'ясуйте їх зв'язок з електричним полем. Створіть моделі диполів, конденсаторів і багато іншого!
Навчальні цілі
Визначте змінні, які впливають на взаємодію заряджених тіл.
Передбачте, як заряджені тіла будуть взаємодіяти.
Опишіть силу і напрям електричного поля навколо зарядженого тіла.
Використайте діаграми і вектори для того, щоб допомогти пояснити взаємодією.
Завдання для самостійного дослідження
Закон Кулона
Приклади навчальних цілей
Пов’яжіть величину електростатичної сили із зарядами та відстанню між ними
Поясніть третій закон Ньютона щодо електростатичних сил
Використовуйте вимірювання, щоб визначити константу Куломба
Визначте, що робить силу притягуючою чи відштовхувальною.