10 класс
Электродинамика
В повседневной жизни, за исключением притяжения к Земле и приливов, мы встречаемся в основном с различными проявлениями электромагнитных сил. В частности, все виды сил упругости и трения имеют электромагнитную природу; силы мышц и вся жизнедеятельность нашего организма и организмов животных основаны на электромагнитных взаимодействиях. Электромагнитные силы не универсальны. Они действуют лишь между электрически заряженными частицами.
Раздел физики, в котором изучаются свойства и закономерности электромагнитного взаимодействия заряженных тел или частиц, называют электродинамикой.
Это взаимодействие осуществляется посредством электромагнитного поля. В основе классической электродинамики лежат уравнения Максвелла для электромагнитного поля. Они позволяют определять значения важнейших характеристик электромагнитного поля — напряжённости электрического поля и индукции магнитного поля в вакууме и макроскопических телах. Макроскопические тела, как правило, электрически нейтральны. Тело больших размеров заряжено в том случае, когда оно содержит избыточное количество элементарных частиц с одним знаком заряда. Отрицательный заряд тела обусловлен избытком электронов по сравнению с протонами, а положительный — их недостатком.
Законы электродинамики лежат в основе электротехники и радиотехники, радиофизики, современной радиосвязи и телевидения. Электродинамика составляет фундамент таких важнейших направлений современной физики и техники, как физика плазмы и проблема управляемого термоядерного синтеза, нелинейная оптика, конструирование ускорителей элементарных частиц и др.
Глава 9. Электростатика
Мы начнём изучение вопросов электродинамики с наиболее простого случая, когда электрически заряженные тела неподвижны. Раздел электродинамики, посвящённый изучению покоящихся в ИСО электрически заряженных тел, называют электростатикой. Электромагнитное поле, созданное неподвижными относительно данной ИСО электрическими зарядами, называют электростатическим.
В этой главе вы познакомитесь с важнейшими характеристиками и законами электростатического поля (законом Кулона и законом сохранения электрического заряда). C их помощью, например, рассчитывают параметры конденсаторов.
§ 57. Электрический заряд. Электризация тел. Закон сохранения электрического заряда
Электризация тел. Электрический заряд.
Ещё учёные Древней Греции установили тот факт, что после натирания янтарных предметов к ним притягиваются лёгкие тела (рис. 9.1).
От греческого слова elektron, что означает «янтарь», и произошёл термин электричество.
Янтарь и любое другое вещество стали называть наэлектризованным, когда оно при трении приобретало свойство притягивать к себе лёгкие тела (т. е. тело приобретает электрический заряд). Явление возникновения таких свойств у тел было названо электризацией.
Свойство тел или частиц, определяющее их электрическое взаимодействие, называют электрическим зарядом или просто зарядом.
В то же время электрический заряд — физическая величина, количественно характеризующая это свойство тел или частиц. Её обозначают буквой q (или Q). В СИ единица заряда называется кулон (Кл). Её устанавливают с помощью единицы силы тока (ампер) и единицы времени (секунды).
Кулон — это заряд, проходящий за 1 с через поперечное сечение про водника при неизменной силе тока 1 А. Заряд в 1 Кл очень велик. Два таких заряда на расстоянии в 1 км отталкивались бы друг от друга с силой, чуть меньшей силы, с которой Земля притягивает груз массой 1 т 1.
1 На практике применяют кратные единицы заряда, например милликулон (мКл), микрокулон (мкКл), нанокулон (нКл): 1 мКл = 10 -3 Кл, 1 мкКл = 10 -6 Кл, 1 нКл = 10 -9 Кл.
Исследования физических явлений опытным путём
Рассмотрим ряд физических явлений, которые сопровождаются электризацией тел. Из курса физики основной школы вам известно, что существует несколько способов наэлектризовать макроскопическое тело. Проще всего это сделать с помощью трения 2.
2 C другим способом электризации — электризацией через влияние — вы познакомитесь при дальнейшем изучении курса физики 10 класса.
Если провести расчёской по волосам, то и волосы и расчёска зарядятся (рис. 9.2).
Можно прикоснуться к телу предметом, имеющим заряд, и тело так же зарядится. Опыт показывает, что наэлектризованные тела притягивают или отталкивают друг друга. Так, например, эбонитовая палочка, наэлектризованная трением о мех, отталкивается от другой такой же наэлектризованной палочки (рис. 9.3, а) или притягивается к наэлектризованной при трении о шёлк стеклянной палочке (рис. 9.3, б).
В результате электризации кусок меха приобретает положительный заряд, а кусок шёлка — отрицательный.
Электроскоп. Электрометр.
На явлении взаимодействия наэлектризованных тел основано действие электроскопа и электрометра. При прикосновении наэлектризованного тела к стержню электроскопа лёгкие лепестки, подвешенные к стержню, отталкиваются друг от друга, так как заряжаются одноимёнными зарядами (рис. 9.4).
О заряде, переданном электроскопу, судят по углу расхождения лепестков. В случае электрометра о заряде, переданном его стержню, судят по углу поворота стрелки.
C помощью несложного опыта можно установить, что при электризации трением тела приобретают противоположные по знаку, но одинаковые по модулю заряды. Возьмём электрометр с укреплённой на его стержне металлической сферой с отверстием и две пластины на длинных рукоятках: одну, изготовленную из эбонита, а другую — из плексигласа. При трении друг о друга пластины электризуются. Внесём одну из пластин внутрь сферы, не касаясь её стенок. Если пластина заряжена положительно, то часть электронов со стрелки стержня электрометра притянется к пластине и соберётся на внутренней поверхности сферы. Стрелка при этом зарядится положительно и оттолкнётся от стержня (рис. 9.5, а).
Если поместить внутрь сферы другую пластину, вынув при этом первую, то электроны сферы и стержня будут отталкиваться от пластины и соберутся в избытке на стрелке. Это опять вызовет отклонение стрелки, как и в первом опыте (см. рис 9.5, а). Опустив обе пластины внутрь сферы, мы не обнаружим отклонения стрелки (рис. 9.5, б). Это доказывает, что заряды пластин равны по модулю и противоположны по знаку.
Основные свойства электрических зарядов.
Обобщим свойства электрических зарядов, которые были установлены в результате многочисленных экспериментов.
1. В природе существует два вида электрических зарядов. Они были условно названы положительными «+» и отрицательными «-». При этом одноимённые заряженные тела отталкиваются, а разноимённо заряженные тела притягиваются.
2. Электрический заряд — дискретная величина. Минимальным положительным зарядом обладает протон (qp = 1,6 • 10 -19 Кл), а минимальным отрицательным зарядом — электрон (qe = -1,6 • 10 -19 Кл).
Заряд e, равный по модулю заряду электрона и заряду протона, называют элементарным.
В 1909 г. американские физики Роберт Милликен (1868—1953) и Харви Флэтчер (1884—1981) провели опыт по измерению элементарного электрического заряда. Они обнаружили с высокой степенью точности, что общий заряд системы всегда складывается из целого числа элементарных зарядов. Другими словами, электрический заряд q любого заряженного макроскопического тела равен целому числу элементарных зарядов е.
q = ne,
где n — любое целое число.
3. К настоящему времени установлено, что электрический заряд не зависит от скорости движения тела или частицы относительно любой системы отсчёта. В любой ИСО один и тот же электрический заряд остаётся одинаковым.
4. При электризации тел выполняется закон сохранения электрического заряда.
Полный заряд системы макроскопических тел не изменяется, если через границу этой системы не проходят электрически заряженные частицы.
Подобную систему мы будем называть электрически изолированной системой тел.
C учётом этого понятия закон сохранения электрического заряда можно сформулировать следующим образом.
Алгебраическая сумма зарядов тел, входящих в электрически изолированную систему, при любых взаимодействиях тел системы между собой остаётся неизменной.
Нигде и никогда в природе не возникает и не исчезает электрический заряд одного знака. Появление положительного электрического заряда всегда сопровождается появлением равного по модулю отрицательного заряда. Ни положительный, ни отрицательный заряд не могут исчезнуть в отдельности, они могут лишь взаимно нейтрализовать друг друга, если равны по модулю.
Отметим, что если частицы взаимодействуют друг с другом с силами, которые медленно уменьшаются с увеличением расстояния и во много раз превышают силы всемирного тяготения, то эти частицы имеют электрический заряд. Сами частицы называют заряженными. При этом бывают частицы без электрического заряда, но не существует электрического заряда без частицы.
Взаимодействия между заряженными частицами называют электромагнитными. Когда мы говорим, что электроны и протоны электрически заряжены, это означает, что они способны к электромагнитным взаимодействиям. Отсутствие заряда у частицы означает, что подобных взаимодействий она не обнаруживает.
Вопросы:
1. Какую физическую величину называют электрическим зарядом?
2. Как можно наэлектризовать макроскопическое тело?
3. Опишите устройство и принцип действия:
а) электроскопа;
б) электрометра.
4. Какой заряд называют элементарным?
5. Сформулируйте закон сохранения электрического заряда.
Вопросы для обсуждения:
1. Существует ли эталон единицы электрического заряда? Ответ обоснуйте.
2. Что необходимо сделать, чтобы стеклянную палочку зарядить:
а) положительно;
б) отрицательно?
3. Проводя электрические опыты, Ньютон наблюдал «электрическую пляску» кусочков бумаги, помещённых под стеклом, положенным на металлическое кольцо. При натирании стекла бумажки притягивались к нему, затем отскакивали, вновь притягивались. Объясните причину подобной «электрической пляски».
Пример решения задачи
Оцените общин заряд куска графита массой 12 г, от каждого атома которого удалили по одному электрону. Считайте массу атома графита равной 19,92 ∙ 10-27 кг.
Решение. Найдём число молекул углерода в куске графита массой 12 г:
Поскольку 12 г графита соответствуют количеству вещества 1 моль, число атомов в таком куске графита будет равно числу Авогадро. Заряд куска графита:
Мы получили огромное значение заряда. Такой заряд не может присутствовать на куске графита массой 12 г. Отталкиваясь друг от друга, заряженные частицы не смогли бы удержаться на таком теле.
Упражнения:
1. Капля ртути, имевшая заряд +2q, слилась с другой каплей ртути с зарядом -3q. Определите модуль заряда образовавшейся капли.
2. Металлический шарик с зарядом -0,2 мкКл соединили с другим металлическим шариком того же радиуса, имеющим заряд 6 нКл. Чему будет равен модуль заряда образовавшейся системы? Как изменилась масса каждого шарика?
3. В результате трения с поверхности стеклянной палочки было удалено 6,4 • 1010 электронов. Определите электрический заряд палочки. На сколько уменьшилась масса палочки?
Это любопытно...
Из истории развития физики и техники
В конце XVI в. английский учёный и естествоиспытатель Уильям Гильберт (1544—1603) в своём сочинении «О магните, магнитных телах и большом магните — Земле» (1600) описал опыты с наэлектризованными телами. Он установил, что кроме янтаря свойство притягивать лёгкие тела при трении приобретают и многие другие вещества, например стекло, сера, смола. Гильберт первым ввёл в научный обиход термин «электрический».
Исследования Гильберта были продолжены Герике, Гуком, Бойлем и др. В 1672 г. немецкий физик Отто Герике (1602—1686) опубликовал сочинение «Новые, так называемые магдебургские, опыты о пустом пространстве», в котором описал опыты с первой электрической машиной. Она представляла собой шар, изготовленный из серы. Шар устанавливался на железной оси в особом станке. Когда шар вращали с помощью рукоятки и натирали сухой рукой, то он приобретал заряд.
В 1706 г. английский физик-экспериментатор, член Лондонского королевского общества (ЛКО) Фрэнсис Гауксби (1670—1713) сконструировал электрическую машину, заменив серный шар Герике стеклянным (рис. 9.6).
Другой член ЛКО Стефэн Грей (1666—1736) открыл явление электропроводности и обнаружил, что для сохранения электричества нужно изолировать тело. Он же первым разделил все тела на проводники и непроводники (изоляторы) электричества.
Французский естествоиспытатель Шарль Дюфэ (1698—1739) установил, что существует в природе два рода электричества. Одно из них он назвал «стеклянным», а другое — «смоляным». Дюфэ экспериментально показал, что одноимённо наэлектризованные тела отталкиваются друг от друга, а разноимённо — притягиваются. По предложению американского учёного Бенджамина Франклина (1706—1790) заряды, возникающие на стеклянной палочке после её натирания шёлком, стали называть положительными, а заряды, появляющиеся при этом на шёлке, — отрицательными.
В 1745 г. русский учёный Георг Вильгельм Рихман (1711 — 1753) создал первый электроизмерительный прибор — «электрический указатель» (рис. 9.7). Это устройство представляло собой вертикальную металлическую линейку А (длиной около 52 см и массой около 615 г), к которой подводился электрический заряд от электростатической машины.
К верхнему концу линейки прикреплялась льняная нить В (длиной около 61 см и массой около 45 мг). Как только металлической линейке передавался электрирический заряд, льняная нить отталкивалась от неё и отклонялась на некоторый угол в зависимости от величины заряда. Угол отклонения измерялся на деревянном квадранте C с дуговой шкалой DH, разделённой на градусы. В целях устранения контакта льняной нити с квадрантом конец этой нити был удалён от него на одну линию (2,5 мм). «Электрический указатель» Рихмана стал прообразом современного электрометра.
