Электризация тел. Закон сохранения заряда.

Электризация тел

Если макроскопическое тело содержит избыточное количество элементарных частиц с каким-либо одним знаком, то оно электрически заряжено. Так, отрицательный заряд теда обусловлен избытком числа электронов по сравнению с числом протонов, а положительный – недостатком электронов. Для того чтобы получить электрически заряженное макроскопическое тело, то есть наэлектризовать его, нужно отделить часть отрицательного заряда от связанного с ним положительного. Это можно сделать, например, с помощью трения. Допустим, если провести расческой по сухим волосам, то небольшая часть самых подвижных заряженных частиц – электронов, перейдет с волос на расческу и зарядит ее отрицательно, а волосы зарядятся положительно.

Электризация – это процесс получения электрически заряженных макроскопических тел из электронейтральных.

Степень электризации тел в результате взаимного трения характеризуется значением и знаком электрического заряда, полученного телом. Каучук, натертый о мех, заряжается отрицательно, а стекло, потертое о шелк, заряжается положительно. При этом мех получает положительный заряд, а шелк – отрицательный. Знак заряда тел в результате электризации определяется тем, что одни вещества при трении отдают электроны, а другие их присоединяют. Причина этого явления состоит в различии энергии связи электрона с атомом в этих веществах. Получается, что в зависимости от энергии связи одно и то же вещество при трении с различными веществами может получать заряд разного знака.

Трение, лишь один из многих способов электризации вещества. Тело может заряжаться из-за соприкосновения с заряженным телом, в результате нагревания, светового облучения и т. д. Электризация при облучении используется, например, в ксероксе и лазерном принтере.

2. Закон сохранения заряда.

Мы знаем, что масса тел сохраняется. Сохраняется также и электрический заряд. Именно заряд, а не число заряженных частиц. При электризации трением происходит перераспределение имеющихся зарядов между телами, нейтральными в первый момент. Небольшая часть электронов переходит с одного тела на другое. При этом новые частицы не возникают, а существовавшие ранее не исчезают.

При электризации тел выполняется закон сохранения электрического заряда. Этот закон справедлив для системы, в которую не входят извне, и из которой не выходят наружу заряженные частицы, то есть для замкнутой системы, которую называют электрически изолированной.

Электрически изолированная система тел – система тел, через границу которой не проникают заряды.

Закон сохранения заряда формулируется следующим образом:

Алгебраическая сумма зарядов электрически изолированной системы постоянна, то есть :

Q₁ + Q₂ + … + Q_n = const

Закон сохранения заряда имеет глубокий смысл. Если число заряженных элементарных частиц не меняется, то выполнение закона сохранения заряда очевидно. Но элементарные частицы могут превращаться друг в друга, рождаться и исчезать, давая жизнь новым частицам. Однако во всех случаях заряженные частицы рождаются только парами с одинаковыми по модулю и противоположными по знаку зарядами; исчезают частицы тоже только парами, превращаясь в нейтральные. И во всех случаях сумма зарядов остается одной и той же. Справедливость закона сохранения заряда подтверждают наблюдения над огромным числом превращений элементарных частиц. Этот закон выражает одно из самых фундаментальных свойств электрического заряда. Причина, по которой заряд сохраняется, до сих пор неизвестна.

Закон сохранения заряда справедлив в любой инерциальной системе отсчета (ИСО). Это означает, что наблюдатели, измеряющие заряд в разных ИСО получат одно и то же его значение.

Электрический заряд во вселенной сохраняется. Полный электрический заряд вселенной скорее всего равен нулю, то есть число положительно заряженных элементарных частиц равно числу отрицательно заряженных элементарных частиц.

Закон Кулона.

Мы изучаем электростатику, а основной закон электростатики – закон взаимодействия двух неподвижных точечных заряженных тел.

Основной закон электростатики был установлен экспериментально французским ученым Шарлем Кулоном в 1785 году и носит его имя. Закон Кулона, как и закон всемирного тяготения также сформулирован для точечных тел.

В природе точечных тел не существует, но если расстояние между телами во много раз больше их размеров, то ни форма, ни размеры заряженных тел существенно не влияют на взаимодействия между ними. В таком случае тела можно рассматривать как точечные, то есть как точки.

Сила взаимодействия заряженных тел зависит от свойств среды между заряженными телами. Пока будем считать, что взаимодействие происходит в вакууме. Впрочем, опыт показывает, что воздух очень мало влияет на силу взаимодействия заряженных тел, она оказывается почти такой же, как и в вакууме.

Открытие закона взаимодействия электрических зарядов было облегчено тем, что эти силы оказались большими. Здесь не надо было применять особо чувствительной аппаратуры, как при проверке закона всемирного тяготения в земных условиях. Как взаимодействуют друг с другом неподвижные заряженные тела удалось установить с помощью крутильных весов.

Крутильные весы состоят из стеклянной палочки, подвешенной на тонкой упругой проволочке. На одном конце палочки закреплен маленький металлический шарик, а на другом противовес. Еще один металлический шарик закреплен неподвижно на стержне, который в свою очередь крепится на крышке весов.

При сообщении шарикам одноименных зарядов она начинают отталкиваться друг от друга. Чтобы их удержать на фиксированном расстоянии, упругую проволочку нужно закрутить на некоторый угол. По углу закручивания проволочки определяют силу взаимодействия шариков. Крутильные весы позволили изучить зависимость силы взаимодействия заряженных шариков от величины зарядов и от расстояния между ними. Измерять силу и расстояние в то время умели. Единственная трудность была с зарядом, для измерения которого не существовало даже единиц. Кулон нашел простой способ изменения заряда шариков в 2, 4 и более раз, соединяя его с таким же незаряженным шариком. Заряд при этом распределялся поровну между шариками, что и уменьшало исследуемый заряд в известном отношении. Новое значение силы взаимодействия при новом заряде определялось экспериментально. Опыты Кулона привели к установлению закона, поразительно напоминающего закон всемирного тяготения.

Сила взаимодействия между двумя точечными неподвижными зарядами, находящимися в вакууме, прямо пропорциональна произведению модулей этих зарядов, обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними и направлена по прямой, соединяющей эти заряды:

k - коэффициент пропорциональности, зависящий от выбора системы единиц.

В системе СИ k = 9∙10⁹ [н∙м²/Кл²]. Часто его записывают в виде:

где ε₀ = 8,85∙10^-12 [Кл²/(н∙м²)] – электрическая постоянная.

Согласно закону Кулона два точечных заряда по 1 Кл, расположенных в вакууме на расстоянии 1 м друг от друга, взаимодействуют с силой

F = 9∙10^-9 Н. Получается, что кулон – очень большая единица. На практике используют ее дольные единицы: 1 мкКл = 10^-6 Кл; 1 мКл = 10^-3 Кл;

Задание: Сравнить электростатические и гравитационные силы в атоме водорода.

Дано: атом H₂;

R= 0,53∙10^{-10 см - радиус атома водорода;}

e = 1,6∙10^—19 Кл – заряд электрона;

Найти: F_k/F_g = ?

F_k– сила Кулона; F_g – сила гравитационного взаимодействия.

Решение: F_k/F_g = 2,3∙10³⁹.