Опыты французского физика Ш. Дюфе показали, что тела, имеющие заряды противоположного (одинакового) знака, взаимно притягиваются (отталкиваются). При этом сила взаимодействия между наэлектризованными телами сложным образом зависит от формы наэлектризованных тел и характера распределения заряда на них. Поэтому не существует единой простой формулы, описывающей электростатическое взаимодействие для произвольного случая.
И только для точечных зарядов закон взаимодействия записывается в достаточно простой форме.
Закон взаимодействия точечных электрических зарядов был открыт в 1785 г. Ш. Кулоном с помощью крутильных весов. Крутильные весы (рис. 1) состоят из двух одинаковых шариков А и С; шарик А укреплен на коромысле, связанном с противовесом В и нитью L, верхний конец которой укреплен на крутильной головке T. Шарик С прибора укреплен на изолированном стержне и вводится внутрь прибора. Шарики А и С приводятся в соприкосновение, и так как шарики одинаковые, то заряд шарика С поровну распределяется между ними. Шарики отталкиваются друг от друга. По углу закручивания нити определяют силу взаимодействия заряженных шариков. Расстояние r между шариками измеряют по шкале, нанесенной на боковой поверхности цилиндра. Изменяя r и q, Ш. Кулон нашел, что
или, векторном виде,
Единичный вектор. Силы взаимодействия двух одноименно заряженных шариков изображены на рисунке 2.
Сила взаимодействия между двумя неподвижными точечными электрическими зарядами в вакууме прямо пропорциональна произведению величин зарядов, обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними и направлена вдоль прямой, соединяющей эти заряды.
Закон Кулона справедлив и для заряженных шаров на любом расстоянии между их центрами, если объемная или поверхностная плотность заряда каждого из них постоянна. (Отметим, что в отличие от гравитационного электростатическое взаимодействие может приводить к притяжению и отталкиванию тел.)
Коэффициент пропорциональности k = 9·10 9 Н·м 2 /Кл 2 . Часто вместо k используют другую постоянную, называемую электрической постоянной
В рамках сегодняшнего занятия мы познакомимся с такой физической величиной, как заряд, увидим примеры передачи зарядов от одного тела к другому, узнаем о разделении зарядов на два типа и о взаимодействии заряженных тел.
Тема: Электромагнитные явления
Урок: Электризация тел при соприкосновении. Взаимодействие заряженных тел. Два рода зарядов
Данный урок является вводным в новый раздел «Электромагнитные явления», и на нем мы обсудим основные понятия, которые с ним связаны: заряд, его виды, электризация и взаимодействие заряженных тел.
История возникновения понятия «электричество»
Прежде всего, следует начать с обсуждения такого понятия, как электричество. В современном мире мы постоянно с ним сталкиваемся на бытовом уровне и уже не можем представить свою жизнь без компьютера, телевизора, холодильника, электроосвещения и т. п. Все эти приборы, насколько известно, работают благодаря электрическому току и окружают нас повсеместно. Даже изначально не полностью зависящие от электричества технологии, такие как работа двигателя внутреннего сгорания в автомобиле, начинают медленно отходить в историю, и их место активно занимают электродвигатели. Так откуда же пошло такое слово, как «электрический»?
Слово «электрический» происходит от греческого слова «электрон», что в переводе означает «янтарь» (ископаемая смола, рис. 1). Хотя следует, конечно же, сразу оговорить, что непосредственной связи между всеми электрическими явлениями и янтарем нет, и мы немного позже поймем, откуда взялась такая ассоциация у древних ученых.
Первые наблюдения электрических явлений относят к 5-6 вв до н. э. Считается, что Фалес Милетский (древнегреческий философ и математик из Милета, рис. 2) впервые пронаблюдал электрическое взаимодействие тел. Он провел следующий опыт: натер янтарь мехом, затем приблизил его к небольшим телам (пылинкам, стружке или перьям) и пронаблюдал, что эти тела стали притягиваться к янтарю без объяснимой на то время причины. Фалес был не единственным ученым, который впоследствии активно проводил электрические опыты с янтарем, что и привело к возникновению слова «электрон» и понятию «электрический».
Рис. 2. Фалес Милетский ()
Смоделируем аналогичные опыты с электрическим взаимодействием тел, для этого возьмем мелко нарезанную бумагу, стеклянную палочку и лист бумаги. Если натереть стеклянную палочку о лист бумаги, а затем подвести ее к мелко нарезанным бумажкам, то будет виден эффект притяжения мелких кусочков к стеклянной палочке (рис. 3).
Интересен тот факт, что впервые такой процесс был достаточно полно объяснен только в 16 веке. Тогда стало известно, что существует два вида электричества, и они взаимодействуют друг с другом. Понятие электрического взаимодействия появилось в середине 18 века и связано с именем американского ученого Бенджамина Франклина (рис. 4). Именно он впервые ввел такое понятие, как электрический заряд.
Рис. 4. Бенджамин Франклин ()
Определение. Электрический заряд - физическая величина, которая характеризует величину взаимодействия заряженных тел.
То, что мы имели возможность пронаблюдать на опыте с притяжением бумажек к наэлектризованной палочке, доказывает наличие сил электрического взаимодействия, а величину этих сил характеризует такое понятие, как заряд. То, что силы электрического взаимодействия могут быть различными, легко проверяется экспериментальным путем, например, при натирании одной и той же палочки с различной интенсивностью.
Для проведения следующего опыта нам понадобится все та же стеклянная палочка, лист бумаги и бумажный султан, закрепленный на железном стержне (рис. 5). Если потереть палочку листом бумаги, а затем прикоснуться ей к железному стержню, то будет заметно явление отталкивания полосок бумаги султана друг от друга, причем, если повторить натирание и прикосновение несколько раз, то будет видно, что эффект усиливается. Наблюдаемое явление называют электризацией.
Рис. 5. Бумажный султан ()
Определение. Электризация - разделение электрических зарядов в результате тесного контакта двух или более тел.
Электризация может происходить несколькими способами, первые два мы сегодня рассмотрели:
Электризация трением;
Электризация прикосновением;
Электризация наведением.
Рассмотрим электризацию наведением. Для этого возьмем линейку и положим ее на вершину железного стержня, на котором закреплен бумажный султан, после этого прикоснемся к стержню, чтобы снять на нем заряд, и расправим полоски султана. Затем наэлектризуем стеклянную палочку трением о бумагу и подведем ее к линейке, результатом станет то, что линейка начнет вращаться на вершине железного стержня. При этом стеклянной палочкой прикасаться к линейке не следует. Это доказывает то, что существует электризация без непосредственного соприкосновения между телами - электризация наведением.
Первые исследования значений электрических зарядов датируются более поздним периодом истории, чем открытие и попытки описания электрических взаимодействий тел. В конце 18 века ученые пришли к выводу, что деление заряда приводит к двум принципиально различным результатам, и было принято решение условно разделить заряды на два типа: положительные и отрицательные. Для того чтобы была возможность различать эти два типа зарядов и определять, какой является положительным, а какой - отрицательным, договорились использовать два базовых опыта: если потереть стеклянную палочку о бумагу (шелк), то на палочке образуется положительный заряд; если потереть эбонитовую палочку о мех, то на палочке образуется отрицательный заряд (рис. 6).
Замечание. Эбонит - материал из каучука с большим содержанием серы.
Рис. 6. Электризация палочек двумя типами зарядов ()
Кроме того, что было введено разделение зарядов на два типа, было замечено правило их взаимодействия (рис. 7):
Одноименные заряды отталкиваются;
Разноименные заряды притягиваются.
Рис. 7. Взаимодействие зарядов ()
Рассмотрим к этому правилу взаимодействия следующий эксперимент. Наэлектризуем стеклянную палочку трением (т. е. передадим ей положительный заряд) и прикоснемся ей к стержню, на котором закреплен бумажный султан, в результате увидим эффект, который уже обсуждали ранее, - полоски султана начнут отталкиваться друг от друга. Теперь можно пояснить, почему такое явление имеет место - поскольку полоски султана заряжаются положительно (одноименно), то они начинают отталкиваться, насколько это возможно, и образуют фигуру в форме шара. Кроме того, для более наглядной демонстрации отталкивания одноименно заряженных тел можно натертую бумагой стеклянную палочку поднести к наэлектризованному султану, и будет явно видно, как полоски бумаги будут отклоняться от палочки.
Одновременно два явления - притяжение разноименно заряженных тел и отталкивание одноименно заряженных - можно пронаблюдать на следующем опыте. Для него необходимо взять стеклянную палочку, бумагу и гильзу из фольги, закрепленную нитью на штативе. Если натереть палочку бумагой и поднести ее к незаряженной гильзе, то гильза сначала притянется к палочке, а после прикосновения начнет отталкиваться. Поясняется это тем, что сначала гильза, пока не будет иметь заряда, притянется к палочке, палочка передаст ей часть своего заряда, и одноименно заряженная гильза оттолкнется от палочки.
Замечание. Однако остается вопрос о том, почему же изначально незаряженная гильза притягивается к палочке. Объяснить это, используя доступные нам на сегодняшнем этапе изучения школьной физики знания, сложно, однако, попробуем, забегая вперед, это вкратце сделать. Поскольку гильза является проводником, то, оказавшись во внешнем электрическом поле, в ней наблюдается явление разделения заряда. Оно проявляется в том, что свободные электроны в материале гильзы перемещаются в сторону, которая наиболее близка к положительно заряженной палочке. В результате гильза становится разделенной на две условные области: одна заряжена отрицательно (там, где избыток электронов), другая - положительно (там, где недостаток электронов). Поскольку отрицательная область гильзы расположена ближе к положительно заряженной палочке, чем ее положительно заряженная часть, то будет преобладать притяжение между разноименными зарядами и гильза притянется к палочке. После этого оба тела приобретут одноименный заряд и оттолкнутся.
Более подробно этот вопрос рассматривается в 10 классе в теме: «Проводники и диэлектрики во внешнем электрическом поле».
На следующем уроке будет рассмотрен принцип работы такого устройства, как электроскоп.
Список литературы
- Генденштейн Л. Э, Кайдалов А. Б., Кожевников В. Б. Физика 8 / Под ред. Орлова В. А., Ройзена И. И. - М.: Мнемозина.
- Перышкин А. В. Физика 8. - М.: Дрофа, 2010.
- Фадеева А. А., Засов А. В., Киселев Д. Ф. Физика 8. - М.: Просвещение.
- Энциклопедия Брокгауза Ф.А. и Ефрона И.А. ().
- YouTube ().
- YouTube ().
Домашнее задание
- Стр. 59: вопросы № 1-4. Перышкин А. В. Физика 8. - М.: Дрофа, 2010.
- Шарик из металлической фольги был заряжен положительно. Его разрядили, и шарик стал нейтральным. Можно ли утверждать, что заряд шарика исчез?
- На производстве для улавливания пыли или уменьшения выбросов воздух очищают с помощью электрофильтров. В этих фильтрах воздух проходит мимо противоположно заряженных металлических стержней. Почему пыль притягивается к этим стержням?
- Существует ли способ зарядить хотя бы часть тела положительно или отрицательно, не касаясь этого тела другим заряженным телом? Ответ обоснуйте.
Законы взаимодействия атомов и молекул удается понять и объяснить на основе знаний о строении атома, используя планетарную модель его строения. В центре атома находится положительно заряженное ядро, вокруг которого вращаются по определенным орбитам отрицательно заряженные частицы. Взаимодействие между заряженными частицами называется электромагнитным .
Интенсивность электромагнитного взаимодействия определяется физической величиной - электрическим зарядом , который обозначается . Единица электрического заряда - кулон (Кл). 1 кулон - это такой электрический заряд, который, проходя через поперечное сечение проводника за 1 с, создает в нем ток силой 1 А. Способность электрических зарядов как к взаимному притяжению, так и к взаимному отталкиванию объясняется существованием двух видов зарядов. Один вид заряда назвали положительным, носителем элементарного положительного заряда является протон. Другой вид заряда назвали отрицательным, его носителем является электрон. Элементарный заряд равен .
Заряд частицы всегда представляется числом, кратным величине элементарного заряда.
Полный заряд замкнутой системы (в которую не пходят заряды извне), т. е. алгебраическая сумма зарядов всех тел, остается постоянным: . Электрический заряд не создается и не исчезает, а только переходит от одного тела к другому. Этот экспериментально установленный факт называется законом сохранения электрического заряда . Никогда и нигде в природе не возникает и не исчезает электрический заряд одного знака. Появление и исчезновение электрических зарядов на телах в большинстве случаев объясняется переходами элементарных заряженных частиц - электронов - от одних тел к другим.
Электризация - это сообщение телу электрического заряда. Электризация может происходить, например, при соприкосновении (трении) разнородных веществ и при облучении. При электризации в теле нозникает избыток или недостаток электронов.
В случае избытка электронов тело приобретает отрицательный заряд, в случае недостатка - положительный.
Законы взаимодействия неподвижных электрических зарядов изучает электростатика.
Основной закон электростатики был экспериментально установлен французским физиком Шарлем Кулоном и читается так: модуль силы взаимодействия двух точечных неподвижных электрических зарядов в вакууме прямо пропорционален произведению величин этих зарядов и обратно пропорционален квадрату расстояния между ними :
Где и - модули зарядов, - расстояние межд ними, - коэффициент пропорциональности, который зависит от выбора системы единиц, в СИ .
Величина, показывающая, во сколько раз сила взаимодействия зарядов в вакууме больше, чем в среде, называется диэлектрической проницаемостью среды . Для среды с диэлектрической проницаемостью закон Кулона записывается следующим образом:
В СИ коэффициент принято записывать следующим образом: , где - электрическая постоянная. Она численно равна .
С использованием электрической постоянной закон Кулона имеет вид:
,
Взаимодействие неподвижных электрических зарядов называют электростатическим или кулоновским взаимодействием . Кулоновские силы можно изобразить графически (рис. 14, 15).
Кулоновская сила направлена вдоль прямой, соединяющей заряженные тела. Она является силоЙ притяжения при разных знаках зарядов и силой отталкивания при одинаковых знаках зарядов.
Распространенные ошибки
1. Раскрывая физический смысл понятия напряженности электрического поля, абитуриенты правильно указывают на то, что силовое действие поля можно обнаружить с помощью заряда, вносимого в это поле (пробного заряда), но не все могут объяснить, почему проьный заряд должен быть достаточно малым.
Дело в том, что большой пробный заряд может внести изменения в исследуемое поле. Например, если заряды, создающие исследуемое поле, расположено на проводнике. то может случиться, что под воздействием электрического поля пробного заряда заряды проводника переместяться, что приведет к изменению их поля.
2. Поступающие плохо различают формулу, являющуюся определением напряженности поля:
и формулы, устанавливающей связь напряженности с другими величинами. Дают, например, такое определение: напряженностью называется величина
. (2)
Но ведь формула (2) не является определяющей, по ней вычисляется напряженность для точечного заряда. Определяющей является формула (1), согласно которой дается следующее определение: напряженность электрического поля - это векторная физическая величина, характеризующая силовое действие электрического поля на вносимые в него электрические заряды, равная отношению силы, с которой поле действует на положительный точечный заряд, помещенный в данную точку, к этому заряду.
3. Некоторые экзаменующиеся затрудняются ответить на вопрос, почему сила взаимодействия зарядов, находящихся в диэлектрике (например, в воде), меньше, чем в вакууме.
Отвечая на этот вопрос, нужно пояснить, что вследствие поляризации диэлектрика в нем возникает электрическое поле связанных зарядов, напряженность которого направлена противоположно напряженности внешнего поля, поэтому в диэлектрике напряженность электрического поля уменьшается в раз, где - диэлектрическая проницаемость среды. Соответственно в раз уменьшается и сила взаимодействия точечных зарядов в однородном диэлектрике (в воде, например, в 81 раз).
План ответа
1. Электрический заряд. 2. Взаимодействие заряженных тел. 3. Закон сохранения электрического заряда. 4. Закон Кулона. 5. Диэлектрическая проницаемость. 6. Электрическая постоянная. 7. Направление кулоновских сил.
Законы взаимодействия атомов и молекул удается понять и объяснить на основе знаний о строении атома, используя планетарную модель его строения. В центре атома находится положительно заряженное ядро, вокруг которого вращаются по определенным орбитам отрицательно заряженные частицы. Взаимодействие между заряженными частицами называетсяэлектромагнитным. Интенсивность электромагнитного взаимодействия определяется физической величиной -электрическим зарядом, который обозначается q. Единица измерения электрического заряда - кулон (Кл). 1 кулон - это такой электрический заряд, который, проходя через поперечное сечение проводника за 1 с, создает в нем ток силой 1 А. Способность электрических зарядов как к взаимному притяжению, так и к взаимному отталкиванию объясняется существованием двух видов зарядов. Один вид заряда назвали положительным, носителем элементарного положительного заряда является протон. Другой вид заряда назвали отрицательным, его носителем является электрон. Элементарный заряд равен е=1,6 10 -19 Кл.
Заряд тела всегда представляется числом, кратным величине элементарного заряда:q=e(N p -N e) где N p - количество электронов, N e - количество протонов.
Полный заряд замкнутой системы(в которую не входят заряды извне), т. е. алгебраическая сумма зарядов всех тел остается постоянной: q 1 + q 2 + ...+q n = const. Электрический заряд не создается и не исчезает, а только переходит от одного тела к другому. Этот экспериментально установленный факт называетсязаконом сохранения электрического заряда. Никогда и нигде в природе не возникает и не исчезает электрический заряд одного знака. Появление и исчезновение электрических зарядов на телах в большинстве случаев объясняется переходами элементарных заряженных частиц - электронов - от одних тел к другим.
Электризация - это сообщение телу электрического заряда. Электризация может происходить, например, при соприкосновении (трении) разнородных веществ и при облучении. При электризации в теле возникает избыток или недостаток электронов.
В случае избытка электронов тело приобретает отрицательный заряд, в случае недостатка - положительный.
Законы взаимодействия неподвижных электрических зарядов изучает электростатика.
Основной закон электростатики был экспериментально установлен французским физиком Шарлем Кулоном и читается так. Модуль силы взаимодействия двух точечных неподвижных электрических зарядов в вакууме прямо пропорционален произведению величин этих зарядов и обратно пропорционален квадрату расстояния между ними.
F = k q 1 q 2 /r 2 , где q 1 и q 2 - модули зарядов, r - расстояние между ними, k - коэффициент пропорциональности, зависящий от выбора системы единиц, в СИ k = 9 10 9 Н м 2 /Кл 2 . Величина, показывающая во сколько раз сила взаимодействия зарядов в вакууме больше, чем в среде, называетсядиэлектрической проницаемостью среды ε . Для среды с диэлектрической проницаемостью ε закон Кулона записывается следующим образом: F= k q 1 q 2 /(ε r 2)
Вместо коэффициента k часто используется коэффициент, называемый электрической постоянной ε 0 . Электрическая постоянная связана с коэффициентом k следующим образом k = 1/4π ε 0 и численно равна ε 0 =8,85 10 -12 Кл/Н м 2 .
С использованием электрической постоянной закон Кулона имеет вид:F=(1/4π ε 0) (q 1 q 2 /r 2)
Взаимодействие неподвижных электрических зарядов называютэлектростатическим, иликулоновским, взаимодействием. Кулоновские силы можно изобразить графически (рис. 14, 15).
Кулоновская сила направлена вдоль прямой, соединяющей заряженные тела. Она является силой притяжения при разных знаках зарядов и силой отталкивания при одинаковых знаках.
Билет 14
Практический интерес представляют системы из двух проводников, разделенных диэлектриком. Существуют такие конфигурации проводников, при которых электрическое поле оказывается сосредоточенным (локализованным) лишь в некоторой области пространства. Такие системы называются конденсаторами , а проводники, составляющие конденсатор, называются обкладками. Электроемкость конденсатора равна:
Электроемкость плоского конденсатора равна:
Энергия электрического поля внутри конденсатора равняется:
 |
Билет № 15
Работа и мощность в цепи постоянного тока. Электродвижущая сила. Закон Ома для полной цепи
План ответа
1. Работа тока. 2. Закон Джоуля-Ленца 3. Электродвижущая сила. 4. Закон Ома для полной цепи.
В электрическом поле из формулы определения напряжения (U = A/q)
легко получить выражение для расчета работы переноса электрического заряда А = Uq,
так как для тока заряд q = It,
то работа тока: А = Ult,
или А = I 2 R t = U 2 /R t.
Мощность, по определению, N
= A/t,
следовательно, N = UI
= I 2 R = U 2 /R.
Русский ученый X. Ленц и английский ученый Джоуль опытным путем в середине прошлого века установили независимо друг от друга закон, который называется законом Джоуля-Ленца и читается так. При прохождении тока по проводнику количество теплоты, выделившейся в проводнике, прямо пропорционально квадрату силы, тока, сопротивлению проводника и времени прохождения тока.
Q = I 2 Rt.
Полная замкнутая цепь представляет собой электрическую цепь, в состав которой входят внешние сопротивления и источник тока (рис. 18). Как один из участков цепи, источник тока обладает сопротивлением, которое называют внутренним, г.
Для того чтобы ток проходил по замкнутой цепи, необходимо, чтобы в источнике тока зарядам сообщалась дополнительная энергия, она берется за счет работы по перемещению зарядов, которую производят силы неэлектрического происхождения (сторонние силы) против сил электрического поля. Источник тока характеризуется энергетической характеристикой, которая называется ЭДС - электродвижущая сила источника. ЭДС - характеристика источника энергии неэлектрической природы в электрической цепи, необходимого для поддержания в ней электрического тока.
ЭДС измеряется отношением работы сторонних сил по перемещению вдоль замкнутой цепи положительного заряда к этому заряду ξ= A ст /q
 Пусть за время t
через поперечное сечение проводника пройдет электрический заряд q.
Тогда работу сторонних сил при перемещении заряда можно записать так: A ст = ξ q.
Согласно определению силы тока q = It,
поэтому A ст = ξ I t. При совершении этой работы на внутреннем и внешнем участках цепи, сопротивления которых R
и г, выделяется некоторое количество теплоты. По закону Джоуля- Ленца оно равно: Q =I 2 Rt + I 2 rt.
Согласно закону сохранения энергии А =
Q.
Следовательно, ξ = IR
+ Ir.
Произведение силы тока на сопротивление участка цепи часто называютпадением напряжения на этом участке. Таким образом, ЭДС равна сумме падений напряжений на внутреннем и внешнем участках замкнутой цепи. Обычно это выражение записывают так: I = ξ/(R + r).
Эту зависимость опытным путем получил Г.Ом, называется она законом Ома для полной цепи и читается так. Сила тока в полной цепи прямо пропорциональна ЭДС источника тока и обратно пропорциональна полному сопротивлению цепи.
При разомкнутой цепи ЭДС равна напряжению на зажимах источника и, следовательно, может быть измерена вольтметром.
|
Билет № 16 Магнитное поле, условия его существования. Действие магнитного поля на электрический заряд и опыты, подтверждающие это действие. Магнитная индукция
План ответа:
1. Опыты Эрстеда и Ампера. 2. Магнитное поле. 3. Магнитная индукция. 4. Закон Ампера.
В 1820 г. датский физик Эрстед обнаружил, что магнитная стрелка поворачивается при пропускании электрического тока через проводник, находящийся около нее (рис.19). В
том же году французский физик Ампер установил, что два проводника, расположенные параллельно друг другу, испытывают 
взаимное притяжение, если ток течет по ним в одну сторону, и отталкивание, если токи текут в разные стороны (рис. 20). Явление взаимодействия токов Ампер назвалэлектродинамическим взаимодействием.
Магнитное взаимодействие движущихся электрических зарядов, согласно представлениям теории близкодействия, объясняется следующим образом:
всякий движущийся электрический заряд создает в окружающем пространстве магнитное поле.Магнитное поле - особый вид материи, который возникает в пространстве вокруг любого переменного электрического поля.
С современной точки зрения в природе существует совокупность двух полей - электрического и магнитного - это электромагнитное поле,оно представляет собой особый вид материи, т. е. существует объективно, независимо от нашего сознания. Магнитное поле всегда порождается переменным электрическим, и, наоборот, переменное электрическое поле всегда порождает переменное магнитное поле. Электрическое поле, вообще говоря, можно
рассматривать отдельно от магнитного, так как носителями его являются частицы - электроны и протоны. Магнитное поле без электрического не существует, так как носителей магнитного поля нет. Вокруг проводника с током существует магнитное поле, и оно порождается переменным электрическим полем движущихся заряженных частиц в проводнике.
Магнитное поле является силовым полем. Силовой характеристикой магнитного поля называют магнитную индукцию (В). Магнитная индукция - это векторная физическая величина, равная максимальной силе, действующей со стороны магнитного поля на единичный элемент тока. В = F/II. Единичный элемент тока - это проводник длиной 1 м и силой тока в нем 1 А. Единицей измерения магнитной индукции является тесла. 1 Тл = 1 Н/А м.
Магнитная индукция всегда порождается в плоскости под углом 90° к электрическому полю. Вокруг проводника с током магнитное поле также существует в перпендикулярной проводнику плоскости.
Магнитное поле является вихревым полем. Для графического изображения магнитных полей вводятсясиловые линии, илилинии индукции, - это такие линии, в каждой точке которых вектор магнитной индукции направлен по касательной. Направление силовых линий находится по правилу буравчика. Если буравчик ввинчивать по направлению тока, то направление вращения рукоятки совпадет с направлением силовых линий. Линии магнитной индукции прямого провода с током представляют собой концентрические окружности, расположенные в плоскости, перпендикулярной проводнику (рис. 21).
Как установил Ампер, на проводник с током, помещенный в магнитное поле, действует сила. Сила, действующая со стороны, магнитного поля на проводник с током, прямо пропорциональна силе тока. длине проводника в магнитном поле и перпендикулярной составляющей вектора магнитной индукции.
Это и есть формулировка закона Ампера, который записывается так: F a = ПВ
sin α.
Направление силы Ампера определяют по правилу левой руки. Если левую руку расположить так, чтобы четыре пальца показывали направление тока, перпендикулярная составляющая вектора магнитной индукции входила в ладонь, то отогнутый на 90° большой палец покажет направление силы Ампера (рис. 22). В = В sin α.
Электростатика
Электрический заряд
Закон Кулона
Закон Кулона
Крутильные весы:Крутильные весы
Электродинамика
7. Электрическим током называют упорядоченное движение заряженных частиц или заряженных макроскопических тел. Различают два вида электрических токов – токи проводимости и конвекционные токи.
ЭЛЕКТРОМАГНЕТИЗМ
14.(Магнитное поле. Постоянные магниты и магнитное поле тока)
Магнитное поле - силовое поле , действующее на движущиеся электрические заряды и на тела, обладающие магнитным моментом, независимо от состояния их движения; магнитная составляющая электромагнитного поля .
Постоянные магниты имеют два полюса, названные северным и южным магнитными полями. Между этими полюсами магнитное поле располагается в виде замкнутых линий, направленных от северного полюса к южному. Магнитное поле постоянного магнита действует на металлические предметы и другие магниты.
Если поднести два магнита друг к другу одноименными полюсами, то они будут отталкиваться друг от друга. А если разноименными, то притягиваться. Магнитные линии разноименных зарядов при этом как бы замкнутся друг на друге.
Если же в поле магнита попадает металлический предмет, то магнит намагничивает его, и металлический предмет сам становится магнитом. Он притягивается своим противоположным полюсом к магниту, поэтому металлические тела как бы «прилипают» к магнитам.
Магнитное поле создается вокруг электрических зарядов при их движении. Так как движение электрических зарядов представляет собой электрический ток, то вокруг всякого проводника с током всегда существует магнитное поле тока .
15.(Взаимодействие проводников с током. Сила Ампера)
Направление силы Ампера определяется по правилу левой руки:если левую руку расположить так, чтобы перпендикулярная составляющая вектора магнитной индукции В входила в ладонь, а четыре вытянутых пальца были направлены по направлению тока, то отогнутый на 90 градусов большой палец покажет направление силы, действующей на отрезок проводника с током, то есть силы Ампера.
Опыты Ньютона
Опыт по разложению белого света в спектр:
Ньютон направил луч солнечного света через маленькое отверстие на стеклянную призму.
Попадая на призму, луч преломлялся и давал на противоположной стене удлиненное изображение с радужным чередованием цветов – спектр.
КВАНТОВАЯ ОПТИКА.
Волновые и корпускулярные свойства света. Гипотеза Планка о квантах. Фотон.
И. Ньютон придерживался так называемой корпускулярной теории света
, согласно которой свет – это поток частиц, идущих от источника во все стороны (перенос вещества).
На основе корпускулярной теории было трудно объяснить, почему световые пучки, пересекаясь в пространстве, никак не действуют друг на друга. Ведь световые частицы должны сталкиваться и рассеиваться.
Волновая же теория это легко объясняла. Волны, например на поверхности воды, свободно проходят друг сквозь друга, не оказывая взаимного влияния.
Однако прямолинейное распространение света, приводящее к образованию за предметами резких теней, трудно объяснить, исходя из волновой теории. При корпускулярной же теории прямолинейное распространение света является просто следствием закона инерции.
ипотеза Планка - является предположением того, что атомы испускают электромагнитную энергию (свет) отдельными порциями - квантами, а не непрерывно.
Энергия каждой порции является пропорциональной частоте излучения:
где h = 6,63 10 -34 Дж с - является постоянной Планка ,
v - является частотой света.
Фотон (γ ) - является элементарной частицей, квантом электромагнитного излучения.
Испуская и поглощая свет, ведет себя на подобии потока частиц с энергией, которая зависит от частоты v :
E = hv ,
где h - является постояннойПланка .
Энергию фотона зачастую выражают через циклическую частоту ω = 2kv , используя вместо h величину ћ (читается как «аш с чертой»), которая равна ћ = h/2π . Значит, энергию фотона можно выразить так:
Е = hv= ћω.
Исходя из теории относительности, энергия связана с массой соотношением Е = mс 2 . Так как энергия фотона равняется hv , значит, его релятивистская масса m p равняется:
Атомная и ядерная физика
33)Строение атома: планетарная модель и модель Бора. Квантовые постулаты Бора .
Поглощение и испускание света атомом. Квантование энергии.
Атомная и ядерная физика - раздел физики, изучающий строение атома и атомного ядра и процессы, связанные с ними.
Постулаты Бора: 1.Атом может находиться в особых квантовых стационарных состояниях, каждому из которых соответствует своя определенная энергия. В этих состояниях атом не излучает (и не поглощает) энергию.
два постулата.
- 1. Атом может находиться только в особых, стационарных состояниях. Каждому состоянию соответствует определённое значение энергии - энергетический уровень. Находясь в стационарном состоянии, атом не излучает и не поглощает
Стационарным состояниям соответствуют стационарные орбиты, по которым движутся электроны. Номера стационарных орбит и энергетических уровней (начиная с первого) в общем случае обозначаются латинскими буквами: п, k и т. д. Радиусы орбит, как и энергии стационарных состояний, могут принимать не любые, а определённые дискретные значения. Первая орбита расположена ближе всех к ядру.
- 2. Излучение света происходит при переходе атома из стационарного состояния с большей энергией Е к в стационарное состояние с меньшей энергией Е n
Согласно закону сохранения энергии, энергия излучённого фотона равна разности энергий стационарных состояний:
hv = E k - E n .
Из этого уравнения следует, что атом может излучать свет только с частотами
Атом может также поглощать фотоны. При поглощении фотона атом переходит из стационарного состояния с меньшей энергией в стационарное состояние с большей энергией.Состояние атома, в котором все электроны находятся на стационарных орбитах с наименьшей возможной энергией, называется основным. Все другие состояния атома называются возбуждёнными.У атомов каждого химического элемента имеется свой характерный набор энергетических уровней. Поэтому переходу с более высокого энергетического уровня на более низкий будут соответствовать характерные линии в спектре испускания, отличные от линий в спектре другого элемента.Совпадение линий излучения и поглощения в спектрах атомов данного химического элемента объясняется тем, что частоты волн, соответствующих этим линиям в спектре, определяются одними и теми же энергетическими уровнями. Поэтому атомы могут поглощать свет только тех частот, которые они способны излучать.
Некоторые физические величины, относящиеся к микрообъектам, изменяются не непрерывно, а скачкообразно. О величинах, которые могут принимать только вполне определенные, то есть дискретные значения (латинское "дискретус" означает разделенный, прерывистый), говорят, что они квантуются.Электромагнитное излучение испускается в виде отдельных порций - квантов - энергии. Значение одного кванта энергии равно
ΔE = h ν,
где ΔE
- энергия кванта, Дж; ν - частота, с-1; h
- постоянная Планка (одна из фундаментальных постоянных природы), равная 6,626·10−34 Дж·с.
Кванты энергии впоследствии назвали фотонами
.Идея о квантовании энергии позволила объяснить происхождение линейчатых атомных спектров, состоящих из набора линий, объединенных в серии.
водорода.
Бета-излучение
Бета-излучение - это электроны, которые значительно меньше альфа-частиц и могут проникать вглубь тела на несколько сантиметров. От него можно защититься тонким листом металла, оконным стеклом и даже обычной одеждой. Попадая на незащищенные участки тела, бета-излучение оказывает воздействие, как правило, на верхние слои кожи. Во время аварии на Чернобыльской АЭС в 1986 году пожарные получили ожоги кожи в результате очень сильного облучения бета-частицами. Если вещество, испускающее бета-частицы, попадет в организм, оно будет облучать внутренние ткани.
Гамма-излучение
Гамма-излучение - это фотоны, т.е. электромагнитная волна, несущая энергию. В воздухе оно может проходить большие расстояния, постепенно теряя энергию в результате столкновений с атомами среды. Интенсивное гамма-излучение, если от него не защититься, может повредить не только кожу, но и внутренние ткани. Плотные и тяжелые материалы, такие как железо и свинец, являются отличными барьерами на пути гамма-излучения.
Радиоактивный распад происходит в соответствии с так называемыми правилами смещения, позволяющими установить, какое ядро возникает в результате распада данного материнского ядра. Правила смещения;
для a-распада
, (256.4)
для b-распада
, (256.5)
где – материнское ядро, Y – символ дочернего ядра, – ядро гелия (a-частица), – символическое обозначение электрона (заряд его равен –1, а массовое число – нулю). Правила смещения являются ничем иным, как следствием двух законов, выполняющихся при радиоактивных распадах, – сохранения электрическою заряда и сохранения массового числа: сумма зарядов (массовых чисел) возникающих ядер и частиц равна заряду (массовому числу) исходного ядра.
Электростатика
Взаимодействия заряженных тел. Электрический заряд. Закон сохранения электрического заряда.
То, что мы имели возможность пронаблюдать на опыте с притяжением бумажек к наэлектризованной палочке, доказывает наличие сил электрического взаимодействия, а величину этих сил характеризует такое понятие, как заряд. То, что силы электрического взаимодействия могут быть различными, легко проверяется экспериментальным путем, например, при натирании одной и той же палочки с различной интенсивностью.Электрический заряд
– физическая величина, которая характеризует величину взаимодействия заряженных тел. закон сохранения электрического заряда: в электрически замкнутой системе алгебраическая сумма зарядов неизменна.
Электрически замкнутая система – это модель. Это такая система, которую не покидают и не пополняют электрические заряды.
История: Основание электростатики положили работы Кулона (хотя за десять лет до него такие же результаты, даже с ещё большей точностью, получил Кавендиш. Результаты работ Кавендиша хранились в семейном архиве и были опубликованы только спустя сто лет); найденный последним закон электрических взаимодействий дал возможность Грину, Гауссу и Пуассону создать изящную в математическом отношении теорию. Самую существенную часть электростатики составляет теория потенциала, созданная Грином и Гауссом. Очень много опытных исследований по электростатике было произведено Рисом книги которого составляли в прежнее время главное пособие при изучении этих явлений.
Опыты Фарадея, произведенные ещё в первую половину тридцатых годов XIX века, должны были повлечь за собой коренное изменение в основных положениях учения об электрических явлениях. Эти опыты указали, что то, что считалось совершенно пассивно относящимся к электричеству, а именно, изолирующие вещества или, как их назвал Фарадей, диэлектрики, имеет определяющее значение во всех электрических процессах и, в частности, в самой электризации проводников. Эти опыты обнаружили, что вещество изолирующего слоя между двумя поверхностями конденсатора играет важную роль в величине электроёмкости этого конденсатора.
Опыты с электролитами: 1. Если взять раствор медного купороса, собрать электрическую цепь и опустить электроды (графитовые стержни от карандаша) в раствор, то лампочка загориться. Есть ток!
Повторите опыт, заменив электрод, соединенный с минусом батарейки на алюминиевую пуговицу. Через какое-то время она станет «золотой», т.е. покроется слоем меди. Это – явление гальваностегии.
2. Нам понадобятся: стакан с крепким раствором поваренной соли, батарейка от карманного фонарика,
два кусочка медной проволоки длиной примерно 10 см. Зачистите концы проволоки мелкой наждачной шкуркой. Подсоедините к каждому полюсу батарейки по одному концу проволочек. Свободные концы проволочек опустите в стакан с раствором. Вблизи опущенных концов проволоки поднимаются пузырьки!
Закон Кулона
Закон Кулона : сила взаимодействия двух заряженных тел (сила Кулона или Кулонова сила) прямо пропорциональна произведению модулей их зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между зарядами.
В дальнейшем закон приобрёл следующий свой окончательный вид:
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.
В 1759 г. профессор физики Санкт-Петербургской академии наук Ф. Эпинус, занявший кафедру Рихмана после его гибели, впервые предположил , что заряды должны взаимодействовать обратно пропорционально квадрату расстояния. В 1760 г. появилось краткое сообщение о том, что Д. Бернулли в Базеле установил квадратичный закон с помощью сконструированного им электрометра. В 1767 г. Пристли в своей «Истории электричества» отметил, что опыт Франклина, обнаружившего отсутствие электрического поля внутри заряженного металлического шара, может означать, что «сила электрического притяжения подчиняется тем же законам, что и сила тяжести, а следовательно, зависит от квадрата расстояния между зарядами» . Шотландский физик Джон Робисон утверждал (1822), что в 1769 г. обнаружил, что шары с одинаковым электрическим зарядом отталкиваются с силой, обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними, и таким образом предвосхитил открытие закона Кулона (1785) .
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.
Крутильные весы:Крутильные весы
- физический прибор, предназначенный для измерения малых сил или моментов сил. Были изобретены Шарлем Кулоном в 1777 году (по другим данным, в 1784) для изучения взаимодействия точечных электрических зарядов и магнитных полюсов. В простейшем варианте прибор состоит из вертикальной нити, на которой подвешен лёгкий уравновешенный рычаг.
