Взаимодействие электрических зарядов. Закон Кулона. Электрические взаимодействия

УРОК 1/1

Тема. Электрические взаимодействия

Цель урока: ознакомить учащихся с электрическими взаимодействиями; разъяснить им физический смысл закона сохранения заряда и закона Кулона.

Тип урока: урок изучения нового материала.

ПЛАН УРОКА

ИЗУЧЕНИЕ НОВОГО МАТЕРИАЛА

Первые шаги к разгадке природы электричества были сделаны во время изучения электрических разрядов, которые возникают между разноименно заряженными телами. Такие разряды напоминают крошечную молнию.

Для того чтобы понять появление всех этих искр, ознакомимся с одним из электрических явлений. Возьмем пластмассовый гребешок или авторучку и проведем ею несколько раз по сухим волосам или шерстяному свитеру. Как не странно, но после такого простого действия пластмасса приобретет нового свойства: начнет притягивать мелкие кусочки бумаги, другие легкие предметы и даже тонкие струйки воды.

Из выполненных опытов и наблюдений можно сделать вывод:

Ø явления, в которых тела приобретают свойства притягивать другие тела, называют электризацией.

В XVII веке немецкий ученый Отто фон Герике обнаружил, что электрическая взаимодействие может быть не только притягуванням, но и отталкиванием. В начале XVIII века французский ученый Шарль Дюфе объяснил притяжение и отталкивание наэлектризованных тел существованием двух типов электрических зарядов:

Ø если тела имеют электрические заряды того же типа, они отталкиваются, а если разных типов, то притягиваются.

Тела, имеющие способность к электрических взаимодействий, называют наелектризованими. Если наэлектризованное тело, говорят, что оно имеет электрический заряд.

Ø Электрический заряд - это физическая величина, характеризующая интенсивность электромагнитных взаимодействий тел или частиц.

Заряды разных типов назвали положительными и отрицательными. Электрический заряд наэлектризованной стеклянной палочки, потертой о шелк, назвали положительным, а заряд ебонітової палочки, потертой о мех, - отрицательным.

Тела, не имеющие электрического заряда, называют незаряженными, или электрически нейтральными. Но иногда и такие тела обладают способностью к электрическим взаимодействиям.

Во время электризации тело потеряло часть своих электронов, заряжается положительно, а тело приобрело лишних электронов - отрицательно. Общее же количество электронов в этих телах остается неизменной.

При электризации тел выполняется очень важный закон - закон сохранения заряда:

Ø в электрически изолированной системе тел алгебраическая сумма зарядов всех тел остается неизменной.

Этот закон не утверждает, что суммарные заряды всех положительно заряженных и всех отрицательно заряженных частиц должны каждый отдельно храниться. Во время ионизации атома в системе образуются две частицы: положительно заряженный ион и отрицательно заряженный электрон. Суммарные положительный и отрицательный заряды при этом увеличиваются, же полный электрический заряд остается неизменным. Нетрудно увидеть, что всегда сохраняется разница между общим числом всех положительных и отрицательных зарядов.

Закон сохранения электрического заряда выполняется и тогда, когда заряженные частицы испытывают превращения. Так, во время столкновения двух нейтральных (не имеют электрического заряда) частиц могут рождаться заряженные частицы, однако алгебраическая сумма зарядов порожденных частиц при этом равна нулю: вместе с положительно заряженными частицами рождаются и отрицательно заряженные.

Французский ученый Шарль Кулон исследовал, как зависит сила взаимодействия между заряженными телами от значений зарядов тел и от расстояния между ними. В своих опытах Кулон не учитывал размеры тел, которые взаимодействуют.

Заряд, помещенный на теле, размеры которого малы по сравнению с расстояниями до других тел, с которыми оно взаимодействует, называют точечным зарядом.

Закон Кулона, открытый 1785 p ., количественно описывает взаимодействие заряженных тел. Он является фундаментальным законом, то есть установленный с помощью эксперимента и не вытекает ни из какого другого закона природы.

Ø Неподвижные точечные заряды q 1 и q 2 взаимодействуют в вакууме с силой F , прямо пропорциональной модулям зарядов и обратно пропорциональной квадрату расстояния r между зарядами:

Значение коэффициента пропорциональности k зависит от выбора системы единиц.

Единица электрического заряда в СИ названа в честь Кулона - это 1 кулон (Кл).

Коэффициент пропорциональности k в законе Кулона численно равна k = 9·10 9 Н·м2/Кл2. Физический смысл этого коэффициента заключается вот в чем: два точечных заряда по 1 Кл каждый, находятся на расстоянии 1 м друг от друга, взаимодействуют с силой, равной 9·109 Н.

ВОПРОС К УЧАЩИМСЯ В ХОДЕ ИЗЛОЖЕНИЯ НОВОГО МАТЕРИАЛА

Первый уровень

1. Как можно определить, заряженные тела?

2. В каких случаях заряженные тела притягиваются, а в каких - отталкиваются?

3. При каких условиях выполняется закон сохранения электрического заряда?

4. От чего зависит электрическая сила взаимодействия заряженных тел?

5. В чем сходство и различие закона всемирного тяготения и закона Кулона?

Второй уровень

1. Почему притяжение кусочков бумаги натертым расческой нельзя объяснить действием сил тяжести, упругости и веса?

2. Зависит ли сила электрического взаимодействия от расстояния между заряженными телами? Подтвердите ваш ответ примером.

3. С помощью какого опыта можно проиллюстрировать закон сохранения электрического заряда?

4. Как изменится сила кулоновского взаимодействия двух точечных зарядов при увеличении каждого заряда в 3 раза, если расстояние между ними уменьшить в 2 раза?

ЗАКРЕПЛЕНИЕ ИЗУЧЕННОГО МАТЕРИАЛА

1. Почему электрическое отталкивание обнаружили почти через две тысячи лет после того, как было обнаружено притяжения?

Два тела испытывают электрического притяжения, если заряжен только одно из тел, причем зарядом любого знака. А электрическое отталкивание проявляет себя только тогда, когда оба тела заряжены, причем обязательно одноименно.

2. Когда с первой капельки миллиард электронов переместили на вторую, между ними возникла сила электрического взаимодействия. Сколько электронов необходимо переместить с первой капельки на вторую, чтобы эта сила увеличилась в 4 раза?

3. На каком расстоянии находятся друг от друга точечные заряды 4 и 6 нКл, если сила их взаимодействия равна 6 мН?

4. Сколько электронов надо «перенести» с одной пылинки на другую, чтобы сила кулоновского притяжения между порошинами на расстоянии 1 см равна 10 мкН? (Ответ: 2,1·109)

5. Заряды двух одинаковых маленьких металлических шариков равны q 1 = -2 нКл и q 2 = 10 нКл. После соприкосновения шариков их развели на предыдущую расстояние. Во сколько раз изменился модуль силы взаимодействия между ними?

Пусть расстояние между шариками равна r . Тогда модуль силы взаимодействия между ними изменился от к Здесь q - заряд каждого из шариков после соприкосновения. Согласно закону сохранения заряда 2q = q 1 + q 2 . Следовательно,

Ответ: уменьшился в 1,25 раза.

6. На шелковой нитке висят два заряженных шарика массой 20 мг каждая (см. рисунок). Модули зарядов шариков 1,2 нКл. Расстояние между шариками 1 см. Чему равна сила натяжения нити в точках А и В? Рассмотрите случаи одноименных и разноименных зарядов. (Ответ: сила натяжения нити в точке А равна 0,39 мН; В точке В для одноименных зарядов 0,33 мН, а для разноименных - 66 мкН.)

ЧТО МЫ УЗНАЛИ НА УРОКЕ

Явления, в которых тела приобретают свойства притягивать другие тела, называют электризацией.

Электрический заряд - это физическая величина, характеризующая интенсивность электромагнитных взаимодействий тел или частиц.

В электрически изолированной системе тел алгебраическая сумма зарядов всех тел остается неизменной:

· Заряд, помещенный на теле, размеры которого малы по сравнению с расстояниями до других тел, с которыми оно взаимодействует, называют точечным зарядом.

· Неподвижные точечные заряды q 1 и q 2 взаимодействуют в вакууме с силой F , прямо пропорциональной модулям зарядов и обратно пропорциональной квадрату расстояния r между зарядами:

Домашнее задание

Рів1 № 1.8; 1.9; 1.10; 1.11.

Рів2 № 1.31; 1.32; 1.34, 1.35.

Рів3 № 1.54, 1.55; 1.56; 1.57.

Цели урока:

Обучающие	Развивающие	Воспитательные
1) Познакомить учащихся с понятием электрического взаимодействия и электрической силы. 2) Сформировать понятие наэлектризованного тела (заряженного) и познакомить со способами сообщения телу заряда. 3) Показать, что наэлектризованные тела действуют на твердые, жидкие и газообразные тела. 4) Показать, что в процессе трения электризуются оба тела. 5) Познакомить учащихся с тем, что электрическое взаимодействие проявляется как в притяжении, так и в отталкивании тел. 6) Познакомить учащихся с существованием 2-х видов заряда и их взаимодействии.	1) Развивать у учеников способность наблюдать. 2) Развивать умение планировать эксперимент с целью получения ответа на поставленный вопрос, анализировать диалектико-материалистический характер процесса познания: практика-критерий истины. 3) Приобщить к методу научного исследования: выделение проблемы, выдвижение гипотезы, планирование эксперимента, получение вывода.	1) Развивать познавательный интерес, любознательность. 2) Развивать активность. 3) Развивать самостоятельность. 4) Формирование личностного отношения к миру и месту человека в нём.

Ход урока

Мудрость - это совокупность истин,
добытых умом, наблюдением и
опытом и приложимых к жизни,
- это гармония идеи с жизнью.
И. А. Гончаров.

Актуализация темы.

Мы живем в мире электрических взаимодействий, сталкиваясь с ними в природе, практической деятельности. Примерами электрических взаимодействий в природе являются: молния, огни святого Эльма (демонстрация искрового и коронного разрядов). Непонимание природы электрических явлений порождало у людей страх, суеверия. С развитием науки люди смогли объяснить явления, научиться защищаться от них, и заставить работать на пользу людям. Теперь мы не мыслим свою жизнь без электричества. Приборы от электрической лампочки до компьютера работают за счет электрических явлений. Человек должен иметь элементарные представления о природе электрических явлений хотя бы для того, чтобы не ссориться с ними.

Актуализация знаний.

Что называется взаимодействием? (действие одного тела на другое, в результате которого тела изменяют скорость).

Что называется силой? (сила - количественная мера взаимодействия).

Что такое гравитационная сила? (сила, с которой притягиваются тела вследствие того, что обладают массой).

Постановка проблемы.

Учитель. Проведём опыт: потрём пластмассовую ручку или расчёску о шерсть и поднесём к кусочкам бумаги. Они притянулись. Какой вид взаимодействия вы наблюдаете? Может ли это быть гравитационное взаимодействие?

Выдвижение гипотезы:

1. Взаимодействующие тела имеют массы и могут вступать в гравитационные взаимодействия.

На столах приборы: магнит, гвоздики, кусочки оргстекла, кусочки бумаги. При помощи опытов проверьте справедливость вашей гипотезы. (поднести незаряженную палочку к кусочкам бумаги, взаимодействия нет). Вывод: данное взаимодействие не является гравитационным.

2. Взаимодействие не может быть магнитным?

Проверка гипотезы опытами (поднести магнит к гвоздям и наблюдать магнитное взаимодействие, при поднесении магнита к бумаге его не наблюдаем). Вывод: это взаимодействие не является магнитным.

Учитель: вы открыли новый вид взаимодействия - электрическое взаимодействие, а сила, с которой палочка, потёртая о ткань действовала на листки бумаги, называется электрической силой.

Введение определений.

Про тела, способные к электрическим взаимодействиям говорят, что они наэлектризованы. Или им сообщён электрический заряд.

Учитель: Слайд 4. обратите внимание, наэлектризовать тело можно трением (соприкосновением), а также при контакте заряженного тела с незаряженным.

Постановка проблемной задачи категории "ситуация неопределённости".

Мы видели, что к наэлектризованным телам могут притягиваться лёгкие тела.

Как вы думаете, могут ли твёрдые тела большой массы (например, деревянная линейка) притягиваться к наэлектризованным телам?

Выдвигают гипотезу, что да. Как проверить? Предлагают поднести заряженную палочку к линейке. Она неподвижна. Делают вывод, что - нет.

Учитель: а всё ли мы учли в нашем эксперименте? Что могло помешать линейке устремиться навстречу заряженной палочке? Предположение учащихся: сила трения покоя. Учитель: как её можно свести к минимуму? Ученики: подвесить линейку или поставить на круглодонную колбу, перевёрнутую вверх дном. Проводят эксперимент, и делают вывод, что твёрдые тяжёлые тела притягиваются к наэлектризованным телам.

Поисковое задание.

Слайд 6, 7.

Могут ли жидкости притягиваться к наэлектризованным телам? Как проверить? (поднести заряженную палочку к струе жидкости). Вывод:

Жидкости притягиваются к заряженным телам. (Факт, что газы тоже обладают способностью притягиваться к наэлектризованным телам).

Учитель: только лишь оргстекло может наэлектризовываться? Может эту способность имеют и другие твёрдые тела? Как это проверить? (Учащиеся предлагают способ проверки: надо потереть эти тела о ткань и поднести их к кусочкам бумаги).

Вывод: способностью электризоваться обладают многие тела.

Учитель: в результате трения заряжается одно из тел (палочка). А что происходит со вторым телом?

(Учащиеся предлагают способ проверки: поднести второе тело к кусочкам бумаги или наэлектризовать латунную трубку при трении о резину и поднести резину кусочкам бумаги).

Вывод: при трении электризуются два тела.

Выводы учащихся (запись в тетрадях). Слайд 3, 4.

Тела, которые действуют на окружающие предметы электрической силой, называют наэлектризованными, или заряженными.

Наэлектризовать тело можно трением (соприкосновением) или контактом заряженного тела с незаряженным.

При трении электризуются 2 тела.

Учитель: А как будут взаимодействовать между собой тела, заряженные:

• оба от стеклянной палочки,
• оба от эбонитовой палочки,
• одно от стеклянной палочки, другое от эбонитовой.

Проведём эксперимент. Объясняет устройство электростатического маятника и показывает способ его заряда (контакт гильзы маятника с заряженной палочкой).

Заряжаем гильзы от стеклянной палочки и сближаем их. Наблюдаем отталкивание.

Заряжаем гильзы от эбонитовой палочки и сближаем их. Наблюдаем отталкивание.

Заряжаем одну гильзу от эбонитовой палочки, другую от стеклянной. Наблюдаем притяжение.

Учитель: Как объяснить такую разницу во взаимодействии? Выслушать мнение учащихся и дать верный ответ. Стекло и эбонит при трении о ткань электризуются различно (получают разные заряды). Принято считать, что стекло при трении о шёлк приобретает + заряд, а эбонит при трении о шерсть приобретает - заряд.

В первом опыте гильзы, получив + заряды оттолкнулись.

Во втором опыте гильзы, получив - заряды оттолкнулись.

В третьем опыте гильзы, получив + и - заряды притянулись.

Вывод: одноимённые заряды отталкиваются, а разноимённо заряженные тела притягиваются.

Слайды 9, 10, 11.

Закрепление материала.

В зависимости от оставшегося времени провести фронтальный опрос по определениями тестам.

Домашнее задание.

25, 26 учебника, ответить на вопросы.

Работа по вариантам:

1 вариант - приготовить сообщения об истории открытия электричества,

2 вариант - работа над творческим проектом по теме "Электростатика".

Готовые работы

ДИПЛОМНЫЕ РАБОТЫ

Многое уже позади и теперь ты - выпускник, если, конечно, вовремя напишешь дипломную работу. Но жизнь - такая штука, что только сейчас тебе становится понятно, что, перестав быть студентом, ты потеряешь все студенческие радости, многие из которых, ты так и не попробовал, всё откладывая и откладывая на потом. И теперь, вместо того, чтобы навёрстывать упущенное, ты корпишь над дипломной работой? Есть отличный выход: скачать нужную тебе дипломную работу с нашего сайта - и у тебя мигом появится масса свободного времени!
Дипломные работы успешно защищены в ведущих Университетах РК.
Стоимость работы от 20 000 тенге

КУРСОВЫЕ РАБОТЫ

Курсовой проект - это первая серьезная практическая работа. Именно с написания курсовой начинается подготовка к разработке дипломных проектов. Если студент научиться правильно излагать содержание темы в курсовом проекте и грамотно его оформлять, то в последующем у него не возникнет проблем ни с написанием отчетов, ни с составлением дипломных работ, ни с выполнением других практических заданий. Чтобы оказать помощь студентам в написании этого типа студенческой работы и разъяснить возникающие по ходу ее составления вопросы, собственно говоря, и был создан данный информационный раздел.
Стоимость работы от 2 500 тенге

МАГИСТЕРСКИЕ ДИССЕРТАЦИИ

В настоящее время в высших учебных заведениях Казахстана и стран СНГ очень распространена ступень высшего профессионального образования, которая следует после бакалавриата - магистратура. В магистратуре обучаются с целью получения диплома магистра, признаваемого в большинстве стран мира больше, чем диплом бакалавра, а также признаётся зарубежными работодателями. Итогом обучения в магистратуре является защита магистерской диссертации.
Мы предоставим Вам актуальный аналитический и текстовый материал, в стоимость включены 2 научные статьи и автореферат.
Стоимость работы от 35 000 тенге

ОТЧЕТЫ ПО ПРАКТИКЕ

После прохождения любого типа студенческой практики (учебной, производственной, преддипломной) требуется составить отчёт. Этот документ будет подтверждением практической работы студента и основой формирования оценки за практику. Обычно, чтобы составить отчёт по практике, требуется собрать и проанализировать информацию о предприятии, рассмотреть структуру и распорядок работы организации, в которой проходится практика, составить календарный план и описать свою практическую деятельность.
Мы поможет написать отчёт о прохождении практики с учетом специфики деятельности конкретного предприятия.

Изучение электрических явлений началось в Древней Греции с наблюдения, которое и породило впоследствии слово электричество. Было замечено, что, если натереть янтарь шерстью, он начинает притягивать мелкие предметы – например, пушинки и перья. Янтарь по-гречески электрон, поэтому этот вид взаимодействия назвали электрическим.

Сегодня любой может повторить этот знаменитый древнегреческий опыт даже без янтаря.

Поставим опыт

Расчешите сухие волосы пластмассовой расческой и поднесите ее к маленьким кусочкам бумаги, не касаясь их. Кусочки бумаги будут притягиваться к расческе (рис. 49.1).

Электрические взаимодействия обусловлены наличием у тел электрических зарядов.

Тело, обладающее электрическим зарядом, называют электрически заряженным (или просто заряженным), а сообщение телам электрических зарядов называют электризацией.

Натертый янтарь приобретает способность к электрическим взаимодействиям по той причине, что при трении он электризуется. Впоследствии выяснилось, что янтарь – не исключение: при трении электризуются многие тела. Вы сами, наверное, не раз чувствовали, как вас "бьет током", когда вы прикасаетесь к другому человеку после того, как сняли или надели шерстяную одежду. Это – тоже результат электризации при трении.

Опыты с наэлектризованными телами – например, с натертыми янтарем или расческой – показывают, что наэлектризованные тела притягивают незаряженные предметы. Ниже мы увидим, что это притяжение обусловлено тоже взаимодействием электрических зарядов.

1. Многие хозяйки, стараясь как можно тщательнее вытереть пыль с мебели, подолгу трут поверхность мебели сухой тряпкой. Но, увы – чем больше они стараются, тем скорее пыль снова садится на»хорошо вытертые» поверхности. То же самое происходит и тогда, когда тщательно протирают сухой тряпкой монитор компьютера или ноутбука. Как это объяснить?

Для получения заряженных тел в школьных опытах по электричеству обычно натирают шерстью эбонитовую палочку или шелком – стеклянную. (Эбонит – твердое вещество черного цвета, состоящее из серы и каучука.) В результате палочки приобретают электрический заряд.

Поставим опыт

Наэлектризуем одну легкую металлическую гильзу (металлический цилиндр), прикоснувшись к ней заряженной. стеклянной палочкой, а другую гильзу – прикоснувшись к ней заряженной эбонитовой палочкой. Мы увидим, что гильзы начнут притягиваться (рис. 49.2, а).
А вот две гильзы, наэлектризованные с помощью одной и той же палочки, будут всегда отталкиваться – независимо от того, какой палочкой мы пользовались для электризации гильз (рис. 49.2, б, в).

Этот опыт показывает, что электрические заряды бывают двух типов: заряды одного и того же типа отталкиваются, а заряды различных типов притягиваются. Чаще говорят не о типах, а о знаках зарядов, называя их положительными и отрицательными. Дело в том, что заряды противоположных знаков могут компенсировать друг друга (подобно тому, как сумма положительного и отрицательного чисел может быть равной нулю). Итак,

электрические заряды бывают двух знаков – положительные и отрицательные.

Заряд стеклянной палочки, натертой шелком, считают положительным, а заряд эбонитовой пилочки, натертой мехом или шерстью, – отрицательным.
Тела, имеющие заряд одного знака, называют заряженными одноименно, а тела, имеющие заряды разных знаков, называют заряженными разноименно.

Описанный выше опыт показал, что

одноименно заряженные тела отталкиваются, а разноименно заряженные – притягиваются .

2. а) Могут ли заряды трех шариков быть такими, что любая пара шариков взаимно отталкивается? взаимно притягивается?
б) Можно ли определить, не используя других тел или приборов: каков знак заряда каждого шарика? Имеют ли все шарики заряд одного и того же знака?
в) Опишите опыт, с помощью которого можно определить знак заряда каждого шарика.

Тела, не имеющие электрического заряда, называют незаряженными или электрически нейтральными. Почти все окружающие нас тела являются нейтральными. Но это не означает, что в них нет электрических зарядов!

Наоборот, в любом теле содержится огромное число положительно и отрицательно заряженных частиц, Как суммарный положительный заряд, так и суммарный отрицательный заряд этих частиц колоссален (скоро мы в этом убедимся). Но эти положительный и отрицательный заряды с очень большой точностью компенсируют друг друга.

2. Носители электрического заряда

Электрический заряд переносится только заряженными частицами. Электрического заряда без частиц не существует.

Заряженные частицы называют носителями электрического заряда. Если они могут перемещаться в веществе, их называют свободными носителями электрического заряда или просто свободными зарядами.

Чаще других в роли свободных зарядов выступают электроны. Как вы уже знаете из курса физики основной школы, эти очень легкие отрицательно заряженные частицы движутся вокруг массивного (по сравнению с электронами) положительно заряженного атомного ядра. Именно электроны являются свободными носителями заряда в металлах.

Переносить электрический заряд могут и ионы – атомы, которые потеряли или приобрели один или несколько электронов. (От греческого «ион» - странник.) Потерявший электрон (электроны) атом становится положительно заряженным ионом, а атом с избыточным электроном (электронами) – отрицательно заряженным ионом.

Например, в растворе поваренной соли (NaCl) свободными зарядами являются положительно заряженные ионы натрия и отрицательно заряженные ионы хлора.

3. В какой ион (положительно илн отрицательно заряженный) превращается атом, потерявший электрон?

4. Как изменяется масса атома, когда он становится: положительным ионом? отрицательным ионом?

Наиболее удаленные от ядра электроны слабее связаны с ядром. Поэтому при тесном контакте двух тел электроны могут переходить с одного тела на другое (рис. 49.3). Это объясняет, почему при трении тела часто электризуются.

В результате электризации в одном теле возникает избыток электронов, и поэтому оно приобретает отрицательный электрический заряд, а в другом теле возникает недостаток электронов, вследствие чего оно приобретает положительный заряд.

3. Проводники и диэлектрики

Вещества, в которых есть свободные носители электрического заряда, называют проводниками.

Хорошими проводниками являются все металлы. Проводниками являются также растворы солей и кислот – такие жидкости называют электролитами. (От греческого «литос» - разложимый, растворимый.) Электролитами являются, например, морская вода и кровь.

В металлах свободными зарядами являются электроны, а в электролитах – ионы.

Вещества, в которых нет свободных носителей электрического заряда, называют диэлектриками.

Диэлектриками являются многие пластмассы и ткани, сухое дерево, резина, стекло, а также многие жидкости – например, керосин и химически чистая (дистиллированная) вода. Газы, в том числе воздух, – также диэлектрики.

Хотя в диэлектриках свободных зарядов нет, это не означает, что они не участвуют в электрических явлениях. Дело в том, что в диэлектриках есть связанные заряды – это электроны, которые не могут перемещаться по всему образцу вещества, но могут перемещаться в пределах одного атома или молекулы.

Как мы увидим ниже, это приводит к тому, что диэлектрики существенно влияют на взаимодействие заряженных тел: например, они могут ослабить его в десятки раз.

Именно благодаря смещению связанных зарядов незаряженные диэлектрические тела (например, кусочки бумаги) притягиваются к заряженным телам. Ниже мы рассмотрим это подробнее.

4. Электризация через влияние

Благодаря тому, что в проводниках есть свободные заряды, проводники можно заряжать, даже не прикасаясь к ним заряженными телами. При этом тела заряжаются зарядами противоположных знаков.

Поставим опыт

Соединим проводником две металлические гильзы 1 и 2, лежащие на деревянном столе. Затем, не убирая проводник, поднесем к гильзе 1 положительно заряженную палочку, ке касаясь ею гильзы (рис. 49.4, а). Часть свободных электронов, притягиваясь к заряженной палочке, переместится с гильзы 2 на гильзу 1. В результате гильза 2 станет заряженной положительно, а гильза 1 – отрицательно.

Не удаляя заряженную палочку, уберем проводник, соединяющий гильзы (рис. 49.4, б). Они останутся заряженными, причем их заряды будут равны по модулю, но противоположны по знаку.

Теперь можно убрать и заряженную палочку: разноименные заряды останутся на гильзах.

Этот способ электризации тел называют электризацией через влияние.

Обратите внимание: электризация через влияние обусловлена перераспределением зарядов. Алгебраическая сумма зарядов тел остается при этом равной нулю: тела приобретают равные по модулю и противоположные по знаку заряды.

5. Расскажите подробно, как и почему изменился бы результат описанного опыта, если бы сначала удалили заряженную палочку, а потом – проводник, соединяющий гильзы. Проиллюстрируйте ваш рассказ схематическими рисунками.

6. Объясните, почему в описанном выше опыте человек держит металлическую палочку, соединяющую гильзу, за деревянную ручку. Опишите, что произошло бы, если бы при проведении этого опыта человек держал металлическую палочку непосредственно рукой. Примите во внимание„что человеческое тело является проводником.

5. Почему незаряженные тела притягиваются к заряженным?

Выясним теперь, почему незаряженные тела притягиваются к заряженным.

Поставим опыт

Приблизим к незаряженной металлической гильзе положительно заряженную палочку (рис. 49.5). Свободные электроны гильзы притянутся к положительно заряженной палочке, поэтому на ближней к палочке части гильзы появится отрицательный электрический заряд, а на дальней ее части из-за недостатка электронов возникнет положительный заряд.

В результате гильза будет притягиваться к палочке, потому что отрицательные заряды на гильзе находятся ближе к палочке.

7. Объясните, почему незаряженная металлическая гильза притягивается также к отрицательно заряженной палочке.

Итак, незаряженный проводник притягивается к заряженному телу, имеющему заряд любого знака, вследствие перераспределения свободных зарядов в незаряженном проводнике.

8. На рисунке 49.6 показано взаимодействие гильз А и В, а также гильз В и С. Известно, что гильза А заряжена положительно.
а) Можно ли утверждать, что гильза В заряжена? Если да, то каков знак ее заряда?

в) Можно ли предсказать, как будут взаимодействовать гильзы А и С?

Незаряженный диэлектрик тоже притягивается к телу, имеющему заряд любого знака. Объясняется это смещением связанных зарядов в диэлектрике: на поверхности диэлектрика возникают заряды разных знаков, причем ближе к заряженному телу оказываются заряды противоположного с ним знака. Это и приводит к притяжению.

Ниже мы рассмотрим смещение связанных зарядов в диэлектрике подробнее.

6. Роль электрических взаимодействий

Само существование атомов обусловлено электрическим взаимодействием положительно заряженных ядер и отрицательно заряженных электронов.

Электрическую природу имеет также взаимодействие атомов и молекул: благодаря ему атомы объединяются в молекулы, а нз атомов и молекул образуются жидкие и твердые тела. Электрическое взаимодействие нейтральных атомов и молекул объясняется неравномерным распределением электрического заряда в них.

Электрическими взаимодействиями обусловлены и многие процессы в живом организме. В частности, электрической является природа импульсов в нервных клетках, в том числе– в клетках головного мозга.

Электрические взаимодействия во много раз интенсивнее, чем гравитационные. Например, сила электрического отталкивания двух электронов превышает силу их гравитационного притяжения примерно в 4 * 10 42 раз. По сравнению с этим огромным числом кажется крошечной даже постоянная Авогадро! В § 50 мы проверим эту сравнительную оценку сил электрического и гравитационного взаимодействия.

Но если электрическое взаимодействие является таким сильным, почему же мы замечаем его вокруг себя так редко?

Дело в том, что практически все окружающие нас тела электрически нейтральны: огромный суммарный положительный электрический заряд атомных ядер с очень большой точностью компенсируется равным ему по модулю суммарным отрицательным зарядом электронов.

Только благодаря этой компенсации мы и не замечаем, насколько велики силы электрического взаимодействия, «спрятанные» внутри вещества.

Эта взаимная компенсация зарядов в окружающих нас телах не означает, однако, что электрические силы никак не проявляют себя, например, в механических явлениях. На самом деле мы неявно учитывали эти силы при изучении механики.

Как вы помните, в механике рассматривают три вида сил – силы тяготения, силы упругости и силы трения. Две из этих сил – сила упругости и сила трения – обусловлены взаимодействием атомов и молекул, из которых состоят тела, а взаимодействие атомов и молекул, как мы уже знаем, имеет электрическую природу.

Дополнительные вопросы и задания

9. Две одинаковые гильзы висят рядом на нитях одинаковой длины. На красной нити висит заряженная гильза, а на синей – незаряженная. Какая нить сильнее отклонена от вертикали?

10. Две металлические гильзы, висящие рядом на нитях, отталкиваются. Как будут взаимодействовать эти гильзы, если коснуться рукой одной из них?
11. На рисунке 49.7 показано, как взаимодействуют гильзы А и В, а также гильзы В и С.
а) Что можно сказать о заряде гильзы В?
б) Что можно сказать о заряде гильзы С?

12. Легкий металлический шарик подвешен между двумя вертикальными металлическими пластинами, заряды которых имеют противоположные знаки (рис. 49.8). Опишите, что будет происходить после того, как шарик коснется одной из пластин.

Темы кодификатора ЕГЭ : электризация тел, взаимодействие зарядов, два вида заряда, закон сохранения электрического заряда.

Электромагнитные взаимодействия принадлежат к числу наиболее фундаментальных взаимодействий в природе. Силы упругости и трения, давление газа и многое другое можно свести к электромагнитным силам между частицами вещества. Сами электромагнитные взаимодействия уже не сводятся к другим, более глубоким видам взаимодействий.

Столь же фундаментальным типом взаимодействия является тяготение - гравитационное притяжение любых двух тел. Однако между электромагнитными и гравитационными взаимодействиями имеется несколько важных отличий.

1. Участвовать в электромагнитных взаимодействиях могут не любые, а только заряженные тела (имеющие электрический заряд ).

2. Гравитационное взаимодействие - это всегда притяжение одного тела к другому. Электромагнитные взаимодействия могут быть как притяжением, так и отталкиванием.

3. Электромагнитное взаимодействие гораздо интенсивнее гравитационного. Например, сила электрического отталкивания двух электронов в раз превышает силу их гравитационного притяжения друг к другу.

Каждое заряженное тело обладает некоторой величиной электрического заряда . Электрический заряд - это физическая величина, определяющая силу электромагнитного взаимодействия между объектами природы . Единицей измерения заряда является кулон (Кл).

Два вида заряда

Поскольку гравитационное взаимодействие всегда является притяжением, массы всех тел неотрицательны. Но для зарядов это не так. Два вида электромагнитного взаимодействия - притяжение и отталкивание - удобно описывать, вводя два вида электрических зарядов: положительные и отрицательные .

Заряды разных знаков притягиваются друг к другу, а заряды разных знаков друг от друга отталкиваются. Это проиллюстрировано на рис. 1 ; подвешенным на нитях шарикам сообщены заряды того или иного знака.

Рис. 1. Взаимодействие двух видов зарядов

Повсеместное проявление электромагнитных сил объясняется тем, что в атомах любого вещества присутствуют заряженные частицы: в состав ядра атома входят положительно заряженные протоны, а по орбитам вокруг ядра движутся отрицательно заряженные электроны.

Заряды протона и электрона равны по модулю, а число протонов в ядре равно числу электронов на орбитах, и поэтому оказывается, что атом в целом электрически нейтрален. Вот почему в обычных условиях мы не замечаем электромагнитного воздействия со стороны окружающих тел: суммарный заряд каждого из них равен нулю, а заряженные частицы равномерно распределены по объёму тела. Но при нарушении электронейтральности (например, в результате электризации ) тело немедленно начинает действовать на окружающие заряженные частицы.

Почему существует именно два вида электрических зарядов, а не какое-то другое их число, в данный момент не известно. Мы можем лишь утверждать, что принятие этого факта в качестве первичного даёт адекватное описание электромагнитных взаимодействий.

Заряд протона равен Кл. Заряд электрона противоположен ему по знаку и равен Кл. Величина

называется элементарным зарядом . Это минимальный возможный заряд: свободные частицы с меньшей величиной заряда в экспериментах не обнаружены. Физика не может пока объяснить, почему в природе имеется наименьший заряд и почему его величина именно такова.

Заряд любого тела всегда складывается из целого количества элементарных зарядов:

Если , то тело имеет избыточное количество электронов (по сравнению с количеством протонов). Если же , то наоборот, у тела электронов недостаёт: протонов на больше.

Электризация тел

Чтобы макроскопическое тело оказывало электрическое влияние на другие тела, его нужно электризовать. Электризация - это нарушение электрической нейтральности тела или его частей. В результате электризации тело становится способным к электромагнитным взаимодействиям.

Один из способов электризовать тело - сообщить ему электрический заряд, то есть добиться избытка в данном теле зарядов одного знака. Это несложно сделать с помощью трения.

Так, при натирании шёлком стеклянной палочки часть её отрицательных зарядов уходит на шёлк. В результате палочка заряжается положительно, а шёлк - отрицательно. А вот при натирании шерстью эбонитовой палочки часть отрицательных зарядов переходит с шерсти на палочку: палочка заряжается отрицательно, а шерсть - положительно.

Данный способ электризации тел называется электризацией трением . С электризацией трением вы сталкиваетесь всякий раз, когда снимаете свитер через голову;-)

Другой тип электризации называется электростатической индукцией , или электризацией через влияние . В этом случае суммарный заряд тела остаётся равным нулю, но перераспределяется так, что в одних участках тела скапливаются положительные заряды, в других - отрицательные.

Рис. 2. Электростатическая индукция

Давайте посмотрим на рис. 2 . На некотором расстоянии от металлического тела находится положительный заряд . Он притягивает к себе отрицательные заряды металла (свободные электроны), которые скапливаются на ближайших к заряду участках поверхности тела. На дальних участках остаются нескомпенсированные положительные заряды.

Несмотря на то, что суммарный заряд металлического тела остался равным нулю, в теле произошло пространственное разделение зарядов. Если сейчас разделить тело вдоль пунктирной линии, то правая половина окажется заряженной отрицательно, а левая - положительно.

Наблюдать электризацию тела можно с помощью электроскопа. Простой электроскоп показан на рис. 3 (изображение с сайта en.wikipedia.org).

Рис. 3. Электроскоп

Что происходит в данном случае? Положительно заряженная палочка (например, предварительно натёртая) подносится к диску электроскопа и собирает на нём отрицательный заряд. Внизу, на подвижных листочках электроскопа, остаются нескомпенсированные положительные заряды; отталкиваясь друг от друга, листочки расходятся в разные стороны. Если убрать палочку, то заряды вернутся на место и листочки опадут обратно.

Явление электростатической индукции в грандиозных масштабах наблюдается во время грозы. На рис. 4 мы видим идущую над землёй грозовую тучу.

Рис. 4. Электризация земли грозовой тучей

Внутри тучи имеются льдинки разных размеров, которые перемешиваются восходящими потоками воздуха, сталкиваются друг с другом и электризуются. При этом оказывается, что в нижней части тучи скапливается отрицательный заряд, а в верхней - положительный.

Отрицательно заряженная нижняя часть тучи наводит под собой на поверхности земли заряды положительного знака. Возникает гигантский конденсатор с колоссальным напряжением между тучей и землёй. Если этого напряжения будет достаточно для пробоя воздушного промежутка, то произойдёт разряд - хорошо известная вам молния.

Закон сохранения заряда

Вернёмся к примеру электризации трением - натирании палочки тканью. В этом случае палочка и кусок ткани приобретают равные по модулю и противоположные по знаку заряды. Их суммарный заряд как был равен нулю до взаимодействия, так и остаётся равным нулю после взаимодействия.

Мы видим здесь закон сохранения заряда , который гласит: в замкнутой системе тел алгебраическая сумма зарядов остаётся неизменной при любых процессах, происходящих с этими телами :

Замкнутость системы тел означает, что эти тела могут обмениваться зарядами только между собой, но не с какими-либо другими объектами, внешними по отношению к данной системе.

При электризации палочки ничего удивительного в сохранении заряда нет: сколько заряженных частиц ушло с палочки - столько же пришло на кусок ткани (или наоборот). Удивительно то, что в более сложных процессах, сопровождающихся взаимными превращениями элементарных частиц и изменением числа заряженных частиц в системе, суммарный заряд всё равно сохраняется!

Например, на рис. 5 показан процесс , при котором порция электромагнитного излучения (так называемый фотон ) превращается в две заряженные частицы - электрон и позитрон . Такой процесс оказывается возможным при некоторых условиях - например, в электрическом поле атомного ядра.

Рис. 5. Рождение пары электрон–позитрон

Заряд позитрона равен по модулю заряду электрона и противоположен ему по знаку. Закон сохранения заряда выполнен! Действительно, в начале процесса у нас был фотон, заряд которого равен нулю, а в конце мы получили две частицы с нулевым суммарным зарядом.

Закон сохранения заряда (наряду с существованием наименьшего элементарного заряда) является на сегодняшний день первичным научным фактом. Объяснить, почему природа ведёт себя именно так, а не иначе, физикам пока не удаётся. Мы можем лишь констатировать, что эти факты подтверждаются многочисленными физическими экспериментами.