Взаимодействие зарядов. Закон Кулона

Электростатика

Понятие об электронной теории строения вещества.

Вещества как простые, так и сложные состоят из молекул, а молекулы – из атомов.

Каждый атом имеет ядро, состоящее из протонов, нейтронов и др. частиц. Вокруг ядра движутся по определенным орбитам электроны.

В обычном состоянии атомы веществ содержат равное количество электронов и протонов. Электроны и протоны являются частицами материи, имеющими электрический заряд. Электроны обладают отрицательным, а протоны положительным электрическим зарядом. Заряды электронов и протонов по величине одинаковы. Равные по величине положительные и отрицательные заряды по отношению к внешней среде электрически уравновешиваются – взаимно нейтрализуются. В результате этого атомы вещества в обычном состоянии электрически нейтральны.

Взаимодействие зарядов. Закон Кулона

Электрические заряды взаимодействуют между собой, т.е. одноименные заряды взаимно отталкиваются, а разноименные притягиваются. Силы взаимодействия электрических зарядов определяются законом Кулона. Согласно закону Кулона,сила взаимодействия двух точечных электрических зарядов прямо пропорциональна произведению количества электричества в этих зарядах, обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними и зависит от среды, в которой находятся заряды:

q₁q₂ q₁q₂

F = =

4πε_аr² 4πε_оεr²,

где

F - сила взаимодействия зарядов, Н (Ньютон) (1Н=0,102 кгс);

q₁, q₂ - количество электричества каждого заряда, К (Кулон) (1К=6,3*10¹⁸ зарядов электрона);

r - расстояние между зарядами, м

ε_а - абсолютная диэлектрическая проницаемость среды (материала); эта величина характеризует электрические свойства той среды, в которой находятся взаимодействующие заряды, ф/м (фарада/метр).

ε_а=ε_оε,

где

ε_о - абсолютная диэлектрическая проницаемость вакуума (фарада/метр) 8,86*10^-12 ф/м.

ε - коэффициент, показывающий во сколько раз в данной среде электрические заряды взаимодействуют между собой слабее, чем в вакууме, называется диэлектрической проницаемостью.

Для вакуума ε=1

Диэлектрическая проницаемость некоторых веществ (ε):

слюда 6-7

фарфор 6,5

стекло 5,5-10

гетинакс 7-8 и т.д.

На основании закона Кулона можно сделать вывод, что большие электрические заряды взаимодействуют сильнее, чем малые. С увеличением расстояния между зарядами сила их взаимодействия значительно слабее. Так, с увеличением расстояния между зарядами в 6 раз уменьшается сила их взаимодействия в 36 раз. Взаимодействие зарядов также зависит от материала, находящегося между зарядами. Если в вакууме электрические заряды взаимодействуют с силой F_В, то, поместив между этими зарядами, например, фарфор, их взаимодействие ослабится в 6,5 раз.

Электризация тел

Электроны находятся на разном расстоянии от ядра атома. В связи с этим, согласно закону Кулона, взаимодействие положительно заряженных протонов ядра с электронами, расположенными на орбите, ближайшей к ядру, значительно сильнее взаимодействия протонов и электронов, находящихся на дальних орбитах.

Если от атомов того или иного вещества «оторвать» один или несколько таких слабо связанных с ядром электронов, обладающих отрицательным зарядом, то нарушится электрическое равновесие в атомах и вещество будет заряжено положительным электричеством.

Наоборот, если у атомов вещества количество электронов больше количества протонов, то тело приобретает отрицательный электрический заряд.

Изменить количество электронов в атомах различных твердых материалов (наэлектризовать их) можно, например, воздействием световой или тепловой энергии, использованием химических процессов, деформацией кристаллов.

Электризация световой энергией. Под воздействием света из таких материалов, как цинк, алюминий, цезий, натрий, свинец, калий и т.п. вылетают электроны и эти материалы заряжаются положительным электричеством. Явление, при котором под воздействием света из материалов вырываются электроны, называется фотоэффектом.На использовании его основано действие фотоэлементов.

Электризация нагреванием. При сильном нагревании металлов электроны приобретают такую энергию, что вылетают за пределы нагретого металла. В результате этого металл «теряет» электроны и заряжается положительно. Явление, при котором из сильно нагретого металла в окружающую среду вылетают электроны, называется термоэлектронной эмиссией. На использование этого явления основана работа электронных ламп.

Электризация при химической реакции. В химических источниках электрической энергии (элементах, аккумуляторах) имеются два полюса; «+» и «-». Положительные и отрицательные заряды в них образуются в результате химических реакций окисления и восстановления, происходящих внутри элементов и аккумуляторов. При окислении атомы вещества отдают электроны. В этом случае атомы и вещество в целом приобретают положительный заряд «+». При химической реакции восстановления атомы вещества присоединяют себе электроны и приобретают отрицательный заряд.

Электризация давлением. Материалы, у которых под действием давления возникают электрические заряды, называются пьезоэлектриками. К ним относится кварц, сегнетовая соль, фосфат аммония и др. Если пластинку пьезоэлектрика поместить между двумя электродами и давить на нее с силой F, то одна грань ее электризуется положительным электрическим зарядом, а противоположная – отрицательным.

Электрическое поле

Электрическое поле неотделимо от заряда, существует вместе с ним и окружает его. Под действием сил электрического поля происходит взаимодействие зарядов – их взаимное притяжение или отталкивание.

Электрическое поле возникает вокруг заряда в любой среде и даже в вакууме.

Если в электрическое поле поместить пробный положительный заряд, то силы этого поля окажут на него воздействие, стремясь переместить его в определенном направлении. Линия, по которой будет перемещаться пробный положительный заряд под действием сил электрического поля, называется силовой линией. Электрическое поле изображается при помощи силовых линий

Потенциал

Основными величинами, характеризующими каждую точку электрического поля, являются потенциал и напряженность поля.

При внесении электрического заряда в электрическое поле приходится затрачивать определенную работу на преодоление сил этого поля. Потенциал данной точки электрического поля численно равен работе, затрачиваемой на внесение заряда в один кулон из бесконечности в эту точку поля. Эта работа равна потенциальной энергии, которой обладает заряд в один кулон в рассматриваемой точке поля:

φ=A/q

С другой стороны, работа сил электрического поля определяется произведением силы на путь

A=F·S, где

F - сила, Н

S – путь, м

A – работа, Н·м

q – количество электричества, К

Подставив эти величины в формулу потенциала (φ), получим:

[φ]=(ньютон*метр)/кулон. Поскольку 1Н*1м=1Дж, то [φ]=Дж/К. Единица Дж/К называется вольтом (В). Следовательно, потенциал измеряется в вольтах.

Пример. Определить потенциал точки электрического поля, в которую из бесконечности внесен заряд q=3*10^-6 к, если при этом силами поля совершена работа А=6*10^-6 дж

φ= A/q=2 В

В электрическом поле положительного заряда потенциал любой точки положителен, а в поле отрицательного заряда – отрицателен.

Условно принято считать, что потенциал земли равен нулю. И обычно потенциал различных точек электрического поля сравнивают с потенциалом земли. Это значит, что потенциал проводника, электрически соединенного с землей, равен нулю.

При перемещении заряда в пределах электрического поля из точки А в точку Б, потенциалы которых соответственно равны φ_А и φ_Б, силами поля совершается работа

А= q·(φ_А-φ_Б)= q·U_АБ

Разность потенциалов принято (φ_А-φ_Б) называть напряжением, обозначать буквой U и измерять в вольтах.

Напряженность поля

Электрическое поле в каждой своей точке характеризуется напряженностью. Чем больше сила F, с которой электрическое поле действует на заряд q, внесенный в его пределы, тем больше напряженность поля. Следовательно, напряженность поля в данной точке

E=F/q

где F – сила действия электрического поля на заряд, Н;

q – величина электрического заряда, К.

Известно, что работа сил электрического поля равна произведению силы на путь

А=FS

Из этого выражения следует, что сила

[F]=[A]/[S]=Дж/м

Следовательно, напряженность поля

[E]=Дж/(м*К)=В/м