🗊Презентация по физике "Электростатика. Электрические заряды" -

Электрические заряды Электростатика – раздел физики, в котором изучается взаимодействие неподвижных электрических зарядов (электростатическое взаимодействие). Электрический заряд – физическая величина, характеризующая способность тел и частиц к электрическим взаимодействиям.

Фундаментальные взаимодействия в природе

Электростатические взаимодействия легко отличить от других типов фундаментальных взаимодействий: Ядерные взаимодействия оказываются существенно более короткодействующими и экспоненциально спадают с расстоянием между частицами. Зависимость гравитационных сил от расстояния сходна с электростатическим взаимодействием. Различие состоит в масштабе возникающих сил (в атоме электростатические взаимодействия превосходят гравитационные в 1042 раз). Гравитационные взаимодействия могут приводить к появлению только сил притяжения, в то время как при электростатических взаимодействиях между частицами различных типов могут возникать как силы притяжения, так и отталкивания. Между двумя неподвижными частицами помимо электростатических сил возможно возникновение ещё одного вида сил, обычно также относимых к электромагнитным взаимодействиям. Эти силы оказываются малыми по сравнению с электростатическими, быстрее спадают с расстоянием (обратно пропорциональны четвёртой степени расстояния между частицами) и, поэтому, легко отличимы от рассматриваемых.

Положительное и отрицательное электричество В теории американского ученого Бенджамина Франклина в 1750 г. впервые было введено понятие положительного и отрицательного электричества (заряда) и их обозначение: «+» и «–», что оказалось весьма удобным, так как позволило описать все возможные случаи электростатического взаимодействия частиц – притяжение и отталкивание – при помощи единой формулы.

Электростатическое взаимодействие между двумя одинаковыми зарядами +q

Положительный и отрицательный заряды

Закон сохранения зарядов Хороший эксперимент имеет больше ценности, чем глубокомыслие такого гения, как Ньютон. Гемфри Дэви (1779-1829). Основатель электрохимии. С Деви началась материалистическая эпоха торжества экспериментальной науки.

Точечный заряд Точечный заряд – заряд, сосредоточенный на теле, линейные размеры которого пренебрежимо малы по сравнению с расстоянием до других заряженных тел, с которыми он взаимодействует. Понятие точечного заряда является физической абстракцией. Иногда точечным зарядом называют наэлектризованное тело, размеры которого пренебрежимо малы по сравнению с расстоянием до других заряженных тел, с которыми оно взаимодействует. Данное определение имеет тот недостаток, что далеко не всегда даже маленькое (по сравнению с расстояниями до других тел) тело можно рассматривать как материальную точку.

Электрически замкнутая система Систему, через границы которой не могут пройти заряды (заряженные частицы), называют электрически изолированной (закрытой, замкнутой). Незаряженные частицы, в том числе и фотоны (кванты), могут входить и выходить через границу такой системы.

Закон сохранения электрического заряда Полный электрический заряд замкнутой (изолированной, закрытой) физической системы, равный алгебраической сумме зарядов слагающих систему элементарных частиц (для обычных макроскопических тел  – протонов и электронов), строго сохраняется во всех взаимодействиях и превращениях этой системы.

Эксперимент по переносу зарядов

Электрические заряды в атомах

Электрические заряды в атомах

Опыты Милликена по определению заряда электрона В 1909-16 гг. американский физик лауреат Нобелевской премии Роберт Эндрус Милликен (1868-1953) показал, что в природе электрические заряды тел состоят из дискретных зарядов. Для этого Милликен взял стеклянный ящик, верх и дно которого были сделаны из металла. Эти металлические пластины были противоположно заряжены. Далее Милликен вспрыскивал в ящик масло через отверстие в верхней пластине. При распылении капельки масла заряжались, и, попадая в конденсатор, двигались под действием силы тяжести и приложенного электрического поля. Освещением рентгеновскими лучами можно было слегка ионизировать воздух между пластинами конденсатора и изменять заряд капли. Учёт вязкости воздуха позволил Милликену вычислить величину минимального электрического заряда.

Опыты Милликена по определению заряда электрона

Взаимодействие электрических зарядов; закон Кулона

Эксперименты Кулона Изучая законы закручивания нитей и проволок под действием внешней механической силы, французский инженер Шарль Огюстен Кулóн (1736-1805) нашёл, что упругая сила, возникающая при закручивании, пропорциональна углу закручивания и зависит от длины нити (проволоки), её диаметра и материала, из которого она изготовлена. Используя обнаруженные зависимости, Кулон в 1784 г. сконструировал и изготовил установку, получившую название «крутильные весы».

Французский инженер и физик Шарль Огюстен Кулóн (14.06.1736-23.08.1806)

Крутильные весы Кулона:

Схема опыта Кулона (1785 г.)

Закон Кулона Сила взаимодействия неподвижных точечных зарядов прямо пропорциональна произведению их величин, обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними и направлена в изотропном пространстве вдоль прямой, соединяющей эти заряды:

Закон Кулона Рихман утверждал: «электрическая материя, неким движением возбуждаемая вокруг тела, по необходимости должна опоясывать его на некотором расстоянии; на меньшем расстоянии от поверхности тела действие её бывает сильнее; следовательно, при увеличении расстояния сила её убывает по некоторому, пока ещё неизвестному закону». Таким образом, Рихман ещё в начале 1750-х гг. (за 40 лет до Кулона) открыл существование электрического поля вокруг заряженного тела, напряжённость которого убывает с увеличением расстояния от тела.

Закон Кулона В 1759 г. Эпинус постулировал, что сила электрического взаимодействия пропорциональна электрическим зарядам и уменьшается пропорционально квадрату расстояния, но экспериментально это не подтвердил. Экспериментально с достаточной точностью будущий закон Кулона впервые был доказан ещё в 1771-73 гг. английским физиком Генри Кáвендишем (Henry Cavendish, 1731-1810) из значительно более точных, чем у Кулона, но косвенных измерений. Он также изобрёл и крутильные весы.

Диэлектрическая проницаемость среды Влияние той или иной среды на величину электрического взаимодействия между зарядами можно оценить, если сравнить силы взаимодействия между зарядами в отсутствие среды (F0) и при её наличии (F). Назовём отношение сил диэлектрической проницаемостью среды и обозначим эту величину ε: ε = F0 /F

Единицы измерения заряда В системе СИ за единицу электричества принят кулон (Кл) – количество электричества, протекающее за 1 с через поперечное сечение проводника при токе в цепи, равном 1 А. (Заряд протона 1,60218·10–19 Кл) Ампер-секунда – единица количества электричества; то же, что кулон. Ампер-час – внесистемная единица количества электричества, равная 3600 Кл. Обозначается а×ч. В ампер-часах обычно выражают заряд аккумуляторов.

Зеркальный гальванометр:

Электрическая постоянная При введении независимой единицы заряда закон Кулона должен содержать коэффициент пропорциональности, имеющий определённую величину и размерность: Электрическая постоянная ε0 – физическая постоянная, входящая в уравнения законов электрического поля (в том числе, в закон Кулона) при записи этих уравнений в рационализированной форме, в соответствии с которой образованы электрические и магнитные единицы СИ. ε0 = 8,85·10-12 Кл2/Н·м2 или Ф/м, k = 1/4πεε0 = 9·109 Н·м2/Кл2

Рационализованная форма Рационализованная форма записи уравнений электромагнетизма была впервые предложена английским физиком Оливером Хéвисайдом (1850-1925). При рационализированной форме в знаменатели закона Кулона и закона Био–Савара–Лапласа ставится коэффициент 4π. В результате этого в ряде уравнений, относительно часто встречающихся на практике, этот коэффициент исчезает, и уравнения приобретают более симметричный вид. В первую очередь это относится к уравнениям Максвелла. Такая «рационализация» упростила инженерные расчёты, но скрыла физический смысл формул. Закон Кулона в среде в системе СИ: где произведение ε0·ε ≡ εа – абсолютная диэлектрическая проницаемость данной среды.

Аналогии между механическими и электрическими взаимодействиями

Вопросы

Домашнее задание