Взаимодействие зарядов. закон кулона

·  Атом меди содержит 29 электронов и та­кое же количество протонов. Электроны ато­мов меди расположены вокруг ядра на четырех оболочках. На первой находятся два электрона, на второй — восемь, на третьей — восемнадцать, на четвертой, наиболее удален­ной от ядра, — один электрон. Число электронов, расположенных на наиболее удаленной от ядра оболочке, совпадает с номером группы данного элемента в периодической системе Д. И. Менделе­ева, а общий отрицательный заряд электронов атома равен поло­жительному заряду протонов, содержащихся в ядре. 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.

· 

· 

· 

·  [1] Электронная оболочка – область, внутри которой движутся электроны.

·  §2. 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 и направлены по прямой линии, соединяю­щей точки, в которых сосредоточены заряды.

·  Согласно закону Кулона, сила взаимодействия двух точечных электрических зарядов прямо пропорциональна произведению количеств электричества в этих зарядах, обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними и зависит от среды, в которой находятся заряды:

· 

·  где F — сила взаимодействия зарядов, н (ньютон[2]),

·  q1,  q2, — количество  электричества  каждого  заряда, к (кулон[3]),

·  r — расстояние между зарядами, м,

·  a— абсолютная  диэлектрическая проницаемость  среды  (ма­териала) ; эта величина характеризует электрические свой­ства той среды, в которой находятся взаимодействующие заряды.

·   В Международной системе единиц (СИ)  a  измеряется в   (ф/м).  Абсолютная диэлектрическая проницаемость среды 

·   

·   где 0 — электрическая  постоянная,  равная  абсолютной  диэлек­трической проницаемости вакуума  (пустоты). Она равна 8,86•10-12 ф/м.

·   Величина , показывающая, во сколько раз в данной среде элек­трические  заряды  взаимодействуют  между собой слабее, чем в вакууме (табл. 1),  называется  диэлектрической  проницаемостью.

·  Величина   есть отношение абсолютной диэлектрической прони­цаемости  данного  материала  к  диэлектрической  проницаемости вакуума:

·   

·  Для  вакуума  =1.  Диэлектрическая  проницаемость  воздуха практически равна единице.

·  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. При сокращении расстояния между зарядами в 9 раз увеличивает­ся сила их взаимодействия в 81 раз. Взаимодействие зарядов также зависит от материала, находящегося между зарядами.

·  Пример. Между электрическими зарядами Q1=2 • 10-6  к и  Q2=4, • 10-6  к, расположенными на расстоянии 0,5 м, помещена слюда (=6). Вычислить силу взаимодействия указанных зарядов.

·  Решение.  Подставляя  в  формулу   значения  известных величин, получим:

· 

·  Если в вакууме электрические заряды взаимодействуют с силой Fв, то, поместив между этими зарядами, например, фарфор, их взаимодействие можно ослабить в 6,5 раз, т. е. в  раз. Это значит, что сила взаимодействия между зарядами может быть определена как отношение

· 

· 

·  Пример. Одноименные электрические заряды взаимодействуют в вакууме с силой Fв =0,25 н. С какой силой будут отталкиваться два заряда, если про­странство между ними заполнено бакелитом? Диэлектрическая проницаемость этого материала равна 5.

·  Решение. Сила взаимодействия электрических зарядов

· 

·  Так как один ньютон 102 г силы, то 0,05 н составляет 5,1 г.

· 

· 

·  [2] Один ньютон содержит  102 г силы

·  [3] Один кулон содержит  6,3• 1018 зарядов  электрона

·  § 3. ЭЛЕКТРИЗАЦИЯ ТЕЛ

· 

·  Известно, что электроны находятся на разном расстоянии от ядра атома. В связи с этим, согласно закону Кулона, взаимодей­ствие положительно заряженных протонов ядра с электронами, расположенными в слое, ближайшем к ядру, значительно сильнее взаимодействия протонов с электронами, находящимися в наиболее удаленном слое.

·  Если от атомов того или иного вещества «оторвать» один или несколько таких слабо связанных (свободных) с ядром электро­нов, 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 заряд. Атом с отрицательным зарядом называют отрицательным  ионом.

·  Изменить количество электронов в атомах различных твердых материалов (наэлектризовать тела) можно, например, воздей­ствием световой энергии, нагреванием, использованием химиче­ских процессов, деформацией кристаллов.

·  Электризация световой энергией. Профессор А. Г. Столетов в 1888 г. установил, что под действием света из таких материалов, как цинк, алюминий, цезий, натрий, свинец, калий и т. п., вылетают электроны и эти материалы заряжаются положительным электри­чеством. В этом можно убедиться на опыте.

·  На стержне электроскопа укрепим полированный диск из цин­ка. При отсутствии электрического заряда на цинке лепестки элек­троскопа будут опущены.

·  Если на диск направить световой поток (рис. 2, а), лепестки электроскопа оттолкнутся и разойдутся на некоторый угол. Это показывает, что диск электроскопа и листочки, прикрепленные к его стержню, зарядились одноименными электрическими заряда­ми. По углу отклонения листочков можно судить о величине заряда.

· 

·  Рис.2 Приборы, определяющие электризацию тел:

·  а — под действием светового потока, б – при нагревании нити.

·  в – под действием химической реакции, г – под давлением кристалла

·    Явление, при котором под воздействием света из материалов вырываются электроны, называется фотоэффектом. На использо­вании его основано действие фотоэлементов  (см. гл. XIV).

·   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.

·  Если к металлической пластинке 1, помещенной в вакууме (рис. 2, б), присоединить электроскоп и нагреть нить 2, то лепестки электроскопа, отталкиваясь друг от друга, разойдутся на некото­рый угол. Это объясняется тем, что из накаленной нити вылетают электроны. Через пластинку 1 они попадают на электроскоп и заряжают его.