Взаимодействие электрических зарядов описывается законом Кулона, который утверждает, что сила взаимодействия двух покоящихся точечных зарядов в вакууме равна
где величина называется электрической постоянной, размерность величины сводится к отношению размерности длины к размерности электрической емкости (Фарада). Электрические заряды бывают двух типов, которые условно принято называть положительным и отрицательным. Как показывает опыт, заряды притягиваются, если они разноименные и отталкиваются, если одноименные.
В любом макроскопическом теле содержится огромное количество электрических зарядов, поскольку они входят в состав всех атомов: электроны заряжены отрицательно, протоны, входящие в состав атомных ядер - положительно. Однако большинство тел, с которыми мы имеем дело, не заряжены, поскольку количество электронов и протонов, входящих в состав атомов, одинаково, а их заряды по абсолютной величине в точности совпадают. Тем не менее, тела можно зарядить, если создать в них избыток или недостаток электронов по сравнению с протонами. Для этого нужно передать электроны, входящие в состав какого-нибудь тела, другому телу. Тогда у первого возникнет недостаток электронов и соответственно положительный заряд, у второго - отрицательный. Такого рода процессы происходят, в частности, при трении тел друг о друга.
Если заряды находятся в некоторой среде, которая занимает все пространство, то сила их взаимодействия ослабляется по сравнению с силой их взаимодействия в вакууме, причем это ослабление не зависит от величин зарядов и расстояния между ними, а зависит только от свойств среды. Характеристика среды, которая показывает, во сколько раз ослабляется сила взаимодействия зарядов в этой среде по сравнению с силой их взаимодействия в вакууме, называется диэлектрической проницаемостью этой среды и, как правило, обозначается буквой . Формула Кулона в среде с диэлектрической проницаемостью принимает вид
|
Если имеется не два, а большее количество точечных зарядов для нахождения сил, действующих в этой системе, используется закон, который называется принципомсуперпозиции 1 . Принцип суперпозиции утверждает, что для нахождения силы, действующей на один из зарядов (например, на заряд ) в системе из трех точечных зарядов , и надо сделать следующее. Сначала надо мысленно убрать заряд и по закону Кулона найти силу, действующую на заряд со стороны оставшегося заряда . Затем следует убрать заряд и найти силу, действующую на заряд со стороны заряда . Векторная сумма полученных сил и даст искомую силу.
Принцип суперпозиции дает рецепт поиска силы взаимодействия неточечных заряженных тел. Следует мысленно разбить каждое тело на части, которые можно считать точечными, по закону Кулона найти силу их взаимодействия с точечными частями, на которое разбивается второе тело, просуммировать полученные вектора. Ясно, что такая процедура математически очень сложна, хотя бы потому, что необходимо сложить бесконечное количество векторов. В математическом анализе разработаны методы такого суммирования, однако в школьный курс физики они не входят. Поэтому, если такая задача и встретится, то суммирование в ней должно легко выполняться на основе тех или иных соображений симметрии. Например, из описанной процедуры суммирования следует, что сила, действующая на точечный заряд, помещенный в центр равномерно заряженной сферы, равна нулю.
Кроме того, школьник должен знать (без вывода) формулы для силы, действующей на точечный заряд со стороны равномерно заряженной сферы и бесконечной плоскости. Если имеется сфера радиуса , равномерно заряженная зарядом , и точечный заряд , расположенный на расстоянии от центра сферы, то величина силы взаимодействия равна
если заряд находится внутри (причем не обязательно в центре). Из формул (17.4), (17.5) следует, что сфера снаружи создает такое же электрическое поле как весь ее заряд, помещенный в центре, а внутри - нулевое.
Если имеется очень большая плоскость с площадью , равномерно заряженная зарядом , и точечный заряд , то сила их взаимодействия равна
|
где величина 
имеет смысл поверхностной плотности заряда плоскости. Как следует из формулы (17.6) сила взаимодействия точечного заряда и плоскости не зависит от расстояния между ними. Обратим внимание читателя на то, что формула (17.6) является приближенной и «работает» тем точнее, чем дальше точечный заряд находится от ее краев. Поэтому при использовании формулы (17.6) часто говорят, что она справедлива в рамках пренебрежения «краевыми эффектами», т.е. когда плоскость считается бесконечной.
Рассмотрим теперь решение данных в первой части книги задач.
Согласно закону Кулона (17.1) величина силы взаимодействия двух зарядов из задачи 17.1.1 выражается формулой
|
Заряды отталкиваются (ответ 2 ).
Поскольку капелька воды из задачи 17.1.2
имеет заряд 
( – заряд протона), то она имеет в избытке электронов по сравнению с протонами. Значит при потере трех электронов их избыток уменьшится, и заряд капельки станет равен 
(ответ 2
).
Согласно закону Кулона (17.1) величина силы взаимодействия двух зарядов при увеличении в раз расстояния между ними уменьшится в раз (задача 17.1.3 - ответ 4 ).
Если заряды двух точечных тел увеличить в раз при неизменном расстоянии между ними, то сила их взаимодействия, как это следует из закона Кулона (17.1), увеличится в раз (задача 17.1.4 - ответ 3 ).
При увеличении одного заряда в 2 раза, а второго в 4, числитель закона Кулона (17.1) увеличивается в 8 раз, а при увеличении расстояния между зарядами в 8 раз - знаменатель увеличивается в 64 раза. Поэтому сила взаимодействия зарядов из задачи 17.1.5 уменьшится в 8 раз (ответ 4 ).
При заполнении пространства диэлектрической средой с диэлектрической проницаемостью = 10, сила взаимодействия зарядов согласно закону Кулона в среде (17.3) уменьшится в 10 раз (задача 17.1.6 - ответ 2 ).
Сила кулоновского взаимодействия (17.1) действует как на первый, так и на второй заряд, а поскольку их массы одинаковы, то ускорения зарядов, как это следует из второго закона Ньютона, в любой момент времени одинаковы (задача 17.1.7 - ответ 3 ).
Похожая задача, но массы шариков разные. Поэтому при одинаковой силе ускорение шарика с меньшей массой в 2 раза больше ускорения шарика с меньшей массой 
, причем этот результат не зависит от величин зарядов шариков (задача 17.1.8
- ответ 2
).
Поскольку электрон заряжен отрицательно, он будет отталкиваться от шара (задача 17.1.9 ). Но поскольку начальная скорость электрона направлена к шару, он будет двигаться в этом направлении, но его скорость будет уменьшаться. В какой-то момент он на мгновение остановится, а потом будет двигаться от шара с увеличивающейся скоростью (ответ 4 ).
В системе двух заряженных шариков, связанных нитью (задача 17.1.10 ), действуют только внутренние силы. Поэтому система будет покоиться и для нахождения силы натяжения нити можно использовать условия равновесия шариков. Поскольку на каждый из них действуют только кулоновская сила и сила натяжения нити, то из условия равновесия заключаем, что эти силы равны по величине.
Этой величине и будет равна сила натяжения нитей (ответ 4 ). Отметим, что рассмотрение условия равновесия центрального заряда не помогло бы найти силу натяжения, а привело бы к заключению, что силы натяжения нитей одинаковы (впрочем, это заключение и так очевидно благодаря симметрии задачи).
Для нахождения силы, действующей на заряд - в задаче 17.2.2
, используем принцип суперпозиции. На заряд - действуют силы притяжения к левому и правому зарядам (см. рисунок). Поскольку расстояния от заряда - до зарядов одинаковы, модули этих сил равны друг другу и они направлены под одинаковыми углами к прямой, соединяющей заряд - с серединой отрезка - . Поэтому сила, действующая на заряд - направлена вертикально вниз (вектор результирующей силы выделен жирным на рисунке; ответ 4
).
(ответ 3 ).
Из формулы (17.6) заключаем, что правильный ответ в задаче 17.2.5 - 4 . В задаче 17.2.6 нужно использовать формулу для силы взаимодействия точечного заряда и сферы (формулы (17.4), (17.5)). Имеем = 0 (ответ 3 ).
Два точечных заряда действуют друг на друга с силой, которая обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними и прямо пропорциональна произведению их зарядов (без учета знака зарядов)
В различных средах, например в воздухе и в воде, два точечных заряда взаимодействуют с разной силой. Относительная диэлектрическая проницаемость среды характеризуют это различие. Это известная табличная величина . Для воздуха .
Постоянная k определяется как
Направление силы Кулона
Согласно третьему закону Ньютона , силы одной природы возникают попарно, равны по величине, противоположны по направлению. Если взаимодействуют два неодинаковых заряда, сила, с которой больший заряд действует на меньший (В на А) равна силе, с которой меньший действует на больший (А на В).
Интересно, что у различных законов физики есть некоторые общие черты. Вспомним закон тяготения . Сила гравитации также обратно пропорциональны квадрату расстояния, но уже между массами , и невольно возникает мысль, что в этой закономерности таится глубокий смысл. До сих пор никому не удалось представить тяготение и электричество как два разных проявления одной и той же сущности.
Сила и тут изменяется обратно пропорционально квадрату расстояния, но разница в величине электрических сил и сил тяготения поразительна. Пытаясь установить общую природу тяготения и электричества, мы обнаруживаем такое превосходство электрических сил над силами тяготения, что трудно поверить, будто у тех и у других один и тот же источник. Как можно говорить, что одно действует сильнее другого? Ведь все зависит от того, какова масса и каков заряд. Рассуждая о том, насколько сильно действует тяготение, вы не вправе говорить: "Возьмем массу такой-то величины", потому что вы выбираете ее сами. Но если мы возьмем то, что предлагает нам сама Природа (ее собственные числа и меры, которые не имеют ничего общего с нашими дюймами, годами, с нашими мерами), тогда мы сможем сравнивать. Мы возьмем элементарную заряженную частицу, такую, например, как электрон. Две элементарные частицы, два электрона, за счет электрического заряда отталкивают друг друга с силой, обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними, а за счет гравитации притягиваются друг к другу опять-таки с силой, обратно пропорциональной квадрату расстояния.
Вопрос: каково отношение силы тяготения к электрической силе? Тяготение относится к электрическому отталкиванию, как единица к числу с 42 нулями. Это вызывает глубочайшее недоумение. Откуда могло взяться такое огромное число?
Люди ищут этот огромный коэффициент в других явлениях природы. Они перебирают всякие большие числа, а если вам нужно большое число, почему не взять, скажем, отношение диаметра Вселенной к диаметру протона - как ни удивительно, это тоже число с 42 нулями. И вот говорят: может быть, этот коэффициент и равен отношению диаметра протона к диаметру Вселенной? Это интересная мысль, но, поскольку Вселенная постепенно расширяется, должна меняться и постоянная тяготения. Хотя эта гипотеза еще не опровергнута, у нас нет никаких свидетельств в ее пользу. Наоборот, некоторые данные говорят о том, что постоянная тяготения не менялась таким образом. Это громадное число по сей день остается загадкой.
Известно, что каждое заряженное тело имеет электрическое поле. Можно также утверждать, что если есть электрическое по-ле, то есть заряженное тело, которому при-надлежит это поле. Итак, если рядом нахо-дятся два заряженных тела с электриче-скими зарядами, то можно сказать, что каж-дое из них находится в электрическом поле соседнего тела. А в таком случае на первое тело будет действовать сила
F 1 = q 1 E 2 ,
где q 1 — заряд первого тела; E 2 — напря-женность поля второго тела. На второе те-ло, соответственно, будет действовать сила
F 2 = q 2 E 1 ,
где q 2 — заряд первого тела; E 1 — напря-женность поля второго тела.
Электрически заряженное те-ло взаимодействует с элект-рическим полем другого заря-женного тела.
Если эти тела небольшие (точечные), то
E 1 = k . q 1 / r 2 ,
E 2 = k . q 2 / r 2 ,
Силы, действующие на каждое из взаимодействующих заря-женных тел, можно рассчи-тать, зная лишь их заряды и расстояние между ними.
Подставим значения напряженности и получим
F 1 = k . q 1 q 2 / r 2 и F 2 = k . q 2 q 1 / r 2 .
Значение каждой силы выражается лишь через значение зарядов каждого тела и рас-стояние между ними. Таким образом, опре-делять силы, действующие на каждое тело, можно, пользуясь лишь знаниями об элект-рических зарядах тел и расстоянии между ними. На этом основании можно сформу-лировать один из фундаментальных законов электродинамики — закона Кулона .
Закон Кулона . Сила, действующая на неподвижное то-чечное тело с электрическим зарядом в поле другого неподвижного точечного тела с элект-рическим зарядом, пропорциональна произве-дению значений их зарядов и обратно пропор-циональна квадрату расстояния между ними.
В общем виде значение силы, о которой идет речь в формулировке закона Кулона , можно записать так:
F = k . q 1 q 2 / r 2 ,
В формуле для расчета силы взаимодей-ствия записаны значения зарядов обоих тел. Поэтому можно сделать вывод, что по мо-дулю обе силы равны. Тем не менее, по направлению — они противоположные. В слу-чае если заряды тел одноименные, тела от-талкиваются (рис. 4.48). Если заряды тел раз-ноименные, то тела притягиваются (рис. 4.49). Окончательно можно записать:
F̅ 1 = - F̅ 2 .
Записанное равенство подтверждает спра-ведливость III закона динамики Ньютона для электрических взаимодействий. Поэтому в одной из распространенных формулиро-вок закона Кулона говорится, что
сила взаи-модействия двух заряженных точечных тел пропорциональна произведению значений их за-рядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.
Если заряженные тела находятся в ди-электрике, то сила взаимодействия будет зависеть от диэлектрической проницаемости этого диэлектрика
F = k . q 1 q 2 / ε r 2 .
Для удобства расчетов, базирующихся на законе Кулона, значение коэффициента k записывают иначе:
k = 1 / 4 πε 0 .
Величина ε 0 называется электрической по-стоянной . Ее значение вычисляется в соот-ветствии с определением:
9 . 10 9 Н.м 2 /Кл 2 = 1 / 4πε 0 ,
ε 0 = (1 / 4π) . 9 . 10 9 Н.м 2 /Кл 2 = 8,85 . 10 -12 Кл 2 /Н.м 2 . Материал с сайта
Таким образом, закон Кулона в общем случае можно выразить формулой
F = (1 / 4πε 0 ) . q 1 q 2 / ε r 2 .
Закон Кулона является одним из фунда-ментальных законов природы. На нем бази-руется вся электродинамика, и не отмечено ни единого случая, когда бы нарушался закон Кулона . Существует единственное ог-раничение, которое касается действия за-кона Кулона на различных расстояниях. Счи-тается, что закон Кулона действует на рас-стояниях больше 10 -16 м и меньше несколь-ких километров.
При решении задач необходимо учиты-вать, что закон Кулона касается сил вза-имодействия точечных неподвижных заря-женных тел. Это сводит все задачи к задачам о взаимодействии неподвижных заряженных тел, в которых применяется два положения статики:
- равнодействующая всех сил, действую-щих на тело, равна нулю;
- сумма моментов сил равна нулю.
В подавляющем большинстве задач на применение закона Кулона достаточно учи-тывать лишь первое положение.
На этой странице материал по темам:
Элзапишите формулу закона кулона
Закон кулона реферат
Доклад по физике на тему закон кулона
-
На данном уроке, тема которого: «Закон Кулона», мы поговорим о самом законе Кулона, о том, что такое точечные заряды, а для закрепления материала решим несколько задач на данную тему.
Тема урока: «Закон Кулона». Закон Кулона количественно описывает взаимодействие точечных неподвижных зарядов - то есть зарядов, которые находятся в статичном положении друг относительно друга. Такое взаимодействие называется электростатическим или электрическим и является частью электромагнитного взаимодействия.
Электромагнитное взаимодействие
Конечно, если заряды находятся в движении - они тоже взаимодействуют. Такое взаимодействие называется магнитным и описывается в разделе физики, который носит название «Магнетизм».
Стоит понимать, что «электростатика» и «магнетизм» - это физические модели, и вместе они описывают взаимодействие как подвижных, так и неподвижных друг относительно друга зарядов. И всё вместе это называется электромагнитным взаимодействием.
Электромагнитное взаимодействие - это одно из четырех фундаментальных взаимодействий, существующих в природе.
Электрический заряд
Что же такое электрический заряд? Определения в учебниках и Интернете говорят нам, что заряд - это скалярная величина, характеризующая интенсивность электромагнитного взаимодействия тел. То есть электромагнитное взаимодействие - это взаимодействие зарядов, а заряд - это величина, характеризующая электромагнитное взаимодействие. Звучит запутанно - два понятия определяются друг через друга. Разберемся!
Существование электромагнитного взаимодействия - это природный факт, что-то вроде аксиомы в математике. Люди его заметили и научились описывать. Для этого они ввели удобные величины, которые это явление характеризуют (в том числе электрический заряд) и построили математические модели (формулы, законы и т. д.), которые это взаимодействие описывают.
Закон Кулона
Выглядит закон Кулона следующим образом:
Сила взаимодействия двух неподвижных точечных электрических зарядов в вакууме прямо пропорциональна произведению их модулей и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Она направлена вдоль прямой, соединяющей заряды, и является силой притяжения, если заряды разноименные, и силой отталкивания, если заряды одноименные.
Коэффициент k в законе Кулона численно равен:
Аналогия с гравитационным взаимодействием
Закон всемирного тяготения гласит: все тела, обладающие массой, притягиваются друг к другу. Такое взаимодействие называется гравитационным. Например, сила тяжести, с которой мы притягиваемся к Земле, - это частный случай именно гравитационного взаимодействия. Ведь и мы, и Земля обладаем массой. Сила гравитационного взаимодействия прямо пропорциональна произведению масс взаимодействующих тел и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.
Коэффициент γ называется гравитационной постоянной.
Численно он равен:
.Как видите, вид выражений, количественно описывающих гравитационное и электростатическое взаимодействия, очень похож.
В числителях обоих выражений - произведение единиц, характеризующих данный тип взаимодействия. Для гравитационного - это массы, для электромагнитного - заряды. В знаменателях обоих выражений - квадрат расстояния между объектами взаимодействия.
Обратная зависимость от квадрата расстояния часто встречается во многих физических законах. Это позволяет говорить об общей закономерности, связывающей величину эффекта с квадратом расстояния между объектами взаимодействия.
Эта пропорциональность справедлива для гравитационного, электрического, магнитного взаимодействий, силы звука, света, радиации и т. д.
Объясняется это тем, что площадь поверхности сферы распространения эффекта увеличивается пропорционально квадрату радиуса (см. рис. 1).
Рис. 1. Увеличение площади поверхности сфер
Это будет выглядеть естественным, если вспомнить, что площадь сферы пропорциональна квадрату радиуса:
Физически это означает, что сила взаимодействия двух точечных неподвижных зарядов в 1 Кл, находящихся на расстоянии 1 м друг от друга в вакууме, будет равна 9·10 9 Н (см. рис. 2).
Рис. 2. Сила взаимодействия двух точечных зарядов в 1 Кл
Казалось бы, эта сила огромна. Но стоит понимать, что ее порядок связан с еще одной характеристикой - величиной заряда 1 Кл. На практике заряженные тела, с которыми мы взаимодействуем в повседневной жизни, имеют заряд порядка микро- или даже нанокулонов.
Коэффициент и электрическая постоянная
Иногда вместо коэффициента используется другая постоянная, характеризующая электростатическое взаимодействие, которая так и называется - «электрическая постоянная». Обозначается она . С коэффициентом она связана следующим образом:
Выполнив несложные математические преобразования можно ее выразить и вычислить:
Обе константы, конечно, присутствуют в таблицах задачников. Закон Кулона тогда примет такой вид:
Обратим внимание на несколько тонких моментов.
Важно понимать, что речь идет именно о взаимодействии. То есть если мы возьмем два заряда, то каждый из них будет действовать на другой с силой, по модулю равной. Эти силы будут направлены в противоположные стороны вдоль прямой, соединяющей точечные заряды.
Заряды будут отталкиваться, если они имеют один знак (оба положительные или оба отрицательные (см. рис. 3)), и притягиваться, если имеют разные знаки (один отрицательный, другой положительный (см. рис. 4)).
Рис. 3. Взаимодействие одноименных зарядов
Рис. 4. Взаимодействие разноименных зарядов
Точечный заряд
В формулировке закона Кулона присутствует термин «точечный заряд». Что это означает? Вспомним механику. Исследуя, например, движение поезда между городами, мы пренебрегали его размерами. Ведь размеры поезда в сотни или тысячи раз меньше расстояния между городами (см. рис. 5). В такой задаче мы считали поезд «материальной точкой» - телом, размерами которого в рамках решения некоторой задачи мы можем пренебречь.
Рис. 5. Размерами поезда в данном случае пренебрегаем
Так вот, точечные заряды - это материальные точки, обладающие зарядом. На практике, используя закон Кулона, мы пренебрегаем размерами заряженных тел в сравнении с расстояниями между ними. Если же размеры заряженных тел сопоставимы с расстоянием между ними, то из-за перераспределения заряда внутри тел электростатическое взаимодействие будет носить более сложный характер.
В вершинах правильного шестиугольника со стороной помещены друг за другом заряды . Найдите силу, действующую на заряд , расположенный в центре шестиугольника (см. рис. 6).
Рис. 6. Рисунок к условию задачи 1
Порассуждаем: заряд, находящийся в центре шестиугольника, будет взаимодействовать с каждым из зарядов, находящихся в вершинах шестиугольника. В зависимости от знаков это будет сила притяжения или сила отталкивания. С зарядами 1, 2 и 3, которые являются положительными, заряд, находящийся в центре, будет испытывать электростатическое отталкивание (см. рис. 7).
Рис. 7. Электростатическое отталкивание
А с зарядами 4, 5 и 6 (отрицательными) заряд в центре будет иметь электростатическое притяжение (см. рис. 8).
Рис. 8. Электростатическое притяжение
Суммарная сила, действующая на заряд, находящийся в центре шестиугольника, будет равнодействующей сил ,,,, и, модуль каждой из которых можно найти с помощью закона Кулона. Приступим к решению задачи.
Решение
Силы взаимодействия заряда, который находится в центре, с каждым из зарядов в вершинах зависит от модулей самих зарядов и расстояния между ними. Расстояние от вершин к центру правильного шестиугольника одинаковое, модули у взаимодействующих зарядов в нашем случае тоже равны (см. рис. 9).
Рис. 9. Расстояния от вершин до центра в правильном шестиугольнике равны
А значит, все силы взаимодействия заряда в центре шестиугольника с зарядами в вершинах будут равны по модулю. Воспользовавшись законом Кулона, мы можем найти этот модуль:
Расстояние от центра до вершины в правильном шестиугольнике равно длине стороны правильного шестиугольника, которая нам известна из условия, поэтому:
Теперь нам необходимо найти векторную сумму - для этого выберем систему координат: ось вдоль силы , а ось перпендикулярно (см. рис. 10).
Рис. 10. Выбор осей
Найдем суммарные проекции на оси - модуль каждой из них обозначим просто .
Так как силы и сонаправлены с осью , а находятся под углом к оси (см. рис. 11).
Проделаем такие же действия для оси :
Знак «-» - потому что силы и направлены в противоположную сторону оси . То есть проекция суммарной силы на ось , которую мы выбрали, будет равна 0. Получается, что суммарная сила будет действовать только вдоль оси , остается подставить сюда только выражения для модуля сил взаимодействия и и получить ответ. Суммарная сила будет равна:
Задача решена.
Еще один тонкий момент заключается вот в чем: в законе Кулона сказано, что заряды находятся в вакууме (см. рис. 12).
Рис. 12. Взаимодействие зарядов в вакууме
Это действительно важное замечание. Потому что в среде, отличной от вакуума, сила электростатического взаимодействия будет ослабляться (см. рис. 13).
Рис. 13. Взаимодействие зарядов в среде, отличной от вакуума
Чтобы учесть этот фактор, в модель электростатики была введена специальная величина, которая позволяет сделать «поправку на среду». Называется она диэлектрической проницаемостью среды. Обозначается, как и электрическая постоянная, греческой буквой «эпсилон», но уже без индекса.
Физический смысл этой величины заключается в следующем.
Сила электростатического взаимодействия двух точечных неподвижных зарядов в среде, отличной от вакуума, будет в ε раз меньше, чем сила взаимодействия таких же зарядов на таком же расстоянии в вакууме.
Таким образом, в среде, отличной от вакуума, сила электростатического взаимодействия двух точечных неподвижных зарядов будет равна:
Значения диэлектрической проницаемости различных веществ давно найдены и собраны в специальных таблицах (см. рис. 14).
Рис. 14. Диэлектрическая проницаемость некоторых веществ
Мы можем свободно использовать табличные значения диэлектрической проницаемости необходимых нам веществ при решении задач.
Важно понимать, что при решении задач сила электростатического взаимодействия рассматривается и описывается в уравнениях динамики как обычная сила. Решим задачу.
Два одинаковых заряженных шарика подвешены в среде с диэлектрической проницаемостью на нитях одинаковой длины , закрепленных в одной точке. Определите модуль заряда шариков, если нити находятся под прямым углом друг к другу (см. рис. 15). Размеры шариков пренебрежимо малы по сравнению с расстоянием между ними. Массы шариков равны .
Рис. 15. Рисунок к условию задачи 2
Порассуждаем: на каждый из шариков будут действовать три силы - сила тяжести ; сила электростатического взаимодействия и сила натяжения нити (см. рис. 16).
Рис. 16. Силы, действующие на шарики
По условию шарики одинаковые, то есть их заряды равны как по модулю, так и по знаку, а значит, сила электростатического взаимодействия в данном случае будет силой отталкивания (на рис. 16 силы электростатического взаимодействия направлены в разные стороны). Так как система находится в равновесии, будем использовать первый закон Ньютона:
Так как в условии сказано, что шарики подвешены в среде с диэлектрической проницаемостью , а размеры шариков пренебрежимо малы по сравнению с расстоянием между ними, то в соответствии с законом Кулона сила, с которой будут отталкиваться шарики, будет равна:
Решение
Распишем первый закон Ньютона в проекциях на оси координат. Ось направим горизонтально, а ось вертикально (см. рис. 17).
На данном уроке, тема которого: «Закон Кулона», мы поговорим о самом законе Кулона, о том, что такое точечные заряды, а для закрепления материала решим несколько задач на данную тему.
Тема урока: «Закон Кулона». Закон Кулона количественно описывает взаимодействие точечных неподвижных зарядов - то есть зарядов, которые находятся в статичном положении друг относительно друга. Такое взаимодействие называется электростатическим или электрическим и является частью электромагнитного взаимодействия.
Электромагнитное взаимодействие
Конечно, если заряды находятся в движении - они тоже взаимодействуют. Такое взаимодействие называется магнитным и описывается в разделе физики, который носит название «Магнетизм».
Стоит понимать, что «электростатика» и «магнетизм» - это физические модели, и вместе они описывают взаимодействие как подвижных, так и неподвижных друг относительно друга зарядов. И всё вместе это называется электромагнитным взаимодействием.
Электромагнитное взаимодействие - это одно из четырех фундаментальных взаимодействий, существующих в природе.
Электрический заряд
Что же такое электрический заряд? Определения в учебниках и Интернете говорят нам, что заряд - это скалярная величина, характеризующая интенсивность электромагнитного взаимодействия тел. То есть электромагнитное взаимодействие - это взаимодействие зарядов, а заряд - это величина, характеризующая электромагнитное взаимодействие. Звучит запутанно - два понятия определяются друг через друга. Разберемся!
Существование электромагнитного взаимодействия - это природный факт, что-то вроде аксиомы в математике. Люди его заметили и научились описывать. Для этого они ввели удобные величины, которые это явление характеризуют (в том числе электрический заряд) и построили математические модели (формулы, законы и т. д.), которые это взаимодействие описывают.
Закон Кулона
Выглядит закон Кулона следующим образом:
Сила взаимодействия двух неподвижных точечных электрических зарядов в вакууме прямо пропорциональна произведению их модулей и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Она направлена вдоль прямой, соединяющей заряды, и является силой притяжения, если заряды разноименные, и силой отталкивания, если заряды одноименные.
Коэффициент k в законе Кулона численно равен:
Аналогия с гравитационным взаимодействием
Закон всемирного тяготения гласит: все тела, обладающие массой, притягиваются друг к другу. Такое взаимодействие называется гравитационным. Например, сила тяжести, с которой мы притягиваемся к Земле, - это частный случай именно гравитационного взаимодействия. Ведь и мы, и Земля обладаем массой. Сила гравитационного взаимодействия прямо пропорциональна произведению масс взаимодействующих тел и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.
Коэффициент γ называется гравитационной постоянной.
Численно он равен:
.Как видите, вид выражений, количественно описывающих гравитационное и электростатическое взаимодействия, очень похож.
В числителях обоих выражений - произведение единиц, характеризующих данный тип взаимодействия. Для гравитационного - это массы, для электромагнитного - заряды. В знаменателях обоих выражений - квадрат расстояния между объектами взаимодействия.
Обратная зависимость от квадрата расстояния часто встречается во многих физических законах. Это позволяет говорить об общей закономерности, связывающей величину эффекта с квадратом расстояния между объектами взаимодействия.
Эта пропорциональность справедлива для гравитационного, электрического, магнитного взаимодействий, силы звука, света, радиации и т. д.
Объясняется это тем, что площадь поверхности сферы распространения эффекта увеличивается пропорционально квадрату радиуса (см. рис. 1).
Рис. 1. Увеличение площади поверхности сфер
Это будет выглядеть естественным, если вспомнить, что площадь сферы пропорциональна квадрату радиуса:
Физически это означает, что сила взаимодействия двух точечных неподвижных зарядов в 1 Кл, находящихся на расстоянии 1 м друг от друга в вакууме, будет равна 9·10 9 Н (см. рис. 2).
Рис. 2. Сила взаимодействия двух точечных зарядов в 1 Кл
Казалось бы, эта сила огромна. Но стоит понимать, что ее порядок связан с еще одной характеристикой - величиной заряда 1 Кл. На практике заряженные тела, с которыми мы взаимодействуем в повседневной жизни, имеют заряд порядка микро- или даже нанокулонов.
Коэффициент и электрическая постоянная
Иногда вместо коэффициента используется другая постоянная, характеризующая электростатическое взаимодействие, которая так и называется - «электрическая постоянная». Обозначается она . С коэффициентом она связана следующим образом:
Выполнив несложные математические преобразования можно ее выразить и вычислить:
Обе константы, конечно, присутствуют в таблицах задачников. Закон Кулона тогда примет такой вид:
Обратим внимание на несколько тонких моментов.
Важно понимать, что речь идет именно о взаимодействии. То есть если мы возьмем два заряда, то каждый из них будет действовать на другой с силой, по модулю равной. Эти силы будут направлены в противоположные стороны вдоль прямой, соединяющей точечные заряды.
Заряды будут отталкиваться, если они имеют один знак (оба положительные или оба отрицательные (см. рис. 3)), и притягиваться, если имеют разные знаки (один отрицательный, другой положительный (см. рис. 4)).
Рис. 3. Взаимодействие одноименных зарядов
Рис. 4. Взаимодействие разноименных зарядов
Точечный заряд
В формулировке закона Кулона присутствует термин «точечный заряд». Что это означает? Вспомним механику. Исследуя, например, движение поезда между городами, мы пренебрегали его размерами. Ведь размеры поезда в сотни или тысячи раз меньше расстояния между городами (см. рис. 5). В такой задаче мы считали поезд «материальной точкой» - телом, размерами которого в рамках решения некоторой задачи мы можем пренебречь.
Рис. 5. Размерами поезда в данном случае пренебрегаем
Так вот, точечные заряды - это материальные точки, обладающие зарядом. На практике, используя закон Кулона, мы пренебрегаем размерами заряженных тел в сравнении с расстояниями между ними. Если же размеры заряженных тел сопоставимы с расстоянием между ними, то из-за перераспределения заряда внутри тел электростатическое взаимодействие будет носить более сложный характер.
В вершинах правильного шестиугольника со стороной помещены друг за другом заряды . Найдите силу, действующую на заряд , расположенный в центре шестиугольника (см. рис. 6).
Рис. 6. Рисунок к условию задачи 1
Порассуждаем: заряд, находящийся в центре шестиугольника, будет взаимодействовать с каждым из зарядов, находящихся в вершинах шестиугольника. В зависимости от знаков это будет сила притяжения или сила отталкивания. С зарядами 1, 2 и 3, которые являются положительными, заряд, находящийся в центре, будет испытывать электростатическое отталкивание (см. рис. 7).
Рис. 7. Электростатическое отталкивание
А с зарядами 4, 5 и 6 (отрицательными) заряд в центре будет иметь электростатическое притяжение (см. рис. 8).
Рис. 8. Электростатическое притяжение
Суммарная сила, действующая на заряд, находящийся в центре шестиугольника, будет равнодействующей сил ,,,, и, модуль каждой из которых можно найти с помощью закона Кулона. Приступим к решению задачи.
Решение
Силы взаимодействия заряда, который находится в центре, с каждым из зарядов в вершинах зависит от модулей самих зарядов и расстояния между ними. Расстояние от вершин к центру правильного шестиугольника одинаковое, модули у взаимодействующих зарядов в нашем случае тоже равны (см. рис. 9).
Рис. 9. Расстояния от вершин до центра в правильном шестиугольнике равны
А значит, все силы взаимодействия заряда в центре шестиугольника с зарядами в вершинах будут равны по модулю. Воспользовавшись законом Кулона, мы можем найти этот модуль:
Расстояние от центра до вершины в правильном шестиугольнике равно длине стороны правильного шестиугольника, которая нам известна из условия, поэтому:
Теперь нам необходимо найти векторную сумму - для этого выберем систему координат: ось вдоль силы , а ось перпендикулярно (см. рис. 10).
Рис. 10. Выбор осей
Найдем суммарные проекции на оси - модуль каждой из них обозначим просто .
Так как силы и сонаправлены с осью , а находятся под углом к оси (см. рис. 11).
Проделаем такие же действия для оси :
Знак «-» - потому что силы и направлены в противоположную сторону оси . То есть проекция суммарной силы на ось , которую мы выбрали, будет равна 0. Получается, что суммарная сила будет действовать только вдоль оси , остается подставить сюда только выражения для модуля сил взаимодействия и и получить ответ. Суммарная сила будет равна:
Задача решена.
Еще один тонкий момент заключается вот в чем: в законе Кулона сказано, что заряды находятся в вакууме (см. рис. 12).
Рис. 12. Взаимодействие зарядов в вакууме
Это действительно важное замечание. Потому что в среде, отличной от вакуума, сила электростатического взаимодействия будет ослабляться (см. рис. 13).
Рис. 13. Взаимодействие зарядов в среде, отличной от вакуума
Чтобы учесть этот фактор, в модель электростатики была введена специальная величина, которая позволяет сделать «поправку на среду». Называется она диэлектрической проницаемостью среды. Обозначается, как и электрическая постоянная, греческой буквой «эпсилон», но уже без индекса.
Физический смысл этой величины заключается в следующем.
Сила электростатического взаимодействия двух точечных неподвижных зарядов в среде, отличной от вакуума, будет в ε раз меньше, чем сила взаимодействия таких же зарядов на таком же расстоянии в вакууме.
Таким образом, в среде, отличной от вакуума, сила электростатического взаимодействия двух точечных неподвижных зарядов будет равна:
Значения диэлектрической проницаемости различных веществ давно найдены и собраны в специальных таблицах (см. рис. 14).
Рис. 14. Диэлектрическая проницаемость некоторых веществ
Мы можем свободно использовать табличные значения диэлектрической проницаемости необходимых нам веществ при решении задач.
Важно понимать, что при решении задач сила электростатического взаимодействия рассматривается и описывается в уравнениях динамики как обычная сила. Решим задачу.
Два одинаковых заряженных шарика подвешены в среде с диэлектрической проницаемостью на нитях одинаковой длины , закрепленных в одной точке. Определите модуль заряда шариков, если нити находятся под прямым углом друг к другу (см. рис. 15). Размеры шариков пренебрежимо малы по сравнению с расстоянием между ними. Массы шариков равны .
Рис. 15. Рисунок к условию задачи 2
Порассуждаем: на каждый из шариков будут действовать три силы - сила тяжести ; сила электростатического взаимодействия и сила натяжения нити (см. рис. 16).
Рис. 16. Силы, действующие на шарики
По условию шарики одинаковые, то есть их заряды равны как по модулю, так и по знаку, а значит, сила электростатического взаимодействия в данном случае будет силой отталкивания (на рис. 16 силы электростатического взаимодействия направлены в разные стороны). Так как система находится в равновесии, будем использовать первый закон Ньютона:
Так как в условии сказано, что шарики подвешены в среде с диэлектрической проницаемостью , а размеры шариков пренебрежимо малы по сравнению с расстоянием между ними, то в соответствии с законом Кулона сила, с которой будут отталкиваться шарики, будет равна:
Решение
Распишем первый закон Ньютона в проекциях на оси координат. Ось направим горизонтально, а ось вертикально (см. рис. 17).