Закон Кулона

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Петрозаводский государственный университет» 
Кольский филиал

 

 

 

                                                                        Кафедра Физика

       Дисциплина Электричество магнетизм.

                         

Закон Кулона

        Реферат.

        студента __2____ курса

        (группа ___АТФ 10-5.5_____)

        заочного отделения

        Физико-энергетического факультета

       специальность 140402 «Теплофизика»

 

                                                                                     Ковалев Кирилл Михайлович

        Преподаватель к.т.н.,доцент

         Николаев В.Г

 

 

Оглавление Закон сохранения электрического заряда 3 Закон Кулона 4 Электростатическое поле 5 Напряженность электростатического поля 6 Список используемой литературы: 10                                                   Закон сохранения электрического заряда    Еще в глубокой древности было замечено, что янтарь, будучи потертый о шерсть, притягивает легкие предметы. Английский врач Джильберт (конец XVI в.) назвал тела, которые способны после натирания притягивать легкие предметы, наэлектризованными. Сейчас мы говорим, что тела при этом получают электрические заряды. Несмотря на большое разнообразие веществ в природе, есть только два типа электрических зарядов: заряды, подобные возникающим на стекле, которое потерто о кожу (их назвали положительными), и заряды, подобные возникающим на эбоните, который потерли о мех (их назвали отрицательными), разноименные заряды притягиваются друг к другу, одноименные — отталкиваются.     Опытным путем американский физик Р. Милликен (1868—1953) показал, что электрический заряд дискретен, т. е. заряд любого тела составляет кратное от элементарного электрического заряда е (е=1,6•10–19 Кл). Электрон (mе=9,11•10–31 кг) и протон (mp= 1,67•10–27 кг) являются соответственно носителями элементарных отрицательного и положительного зарядов.     Любое тело в природе способно электризоваться, т. е. получать электрический заряд. Электризация тел может реализовываться различными способами: соприкосновением (трением), электростатической индукцией и пр. Любой процесс заряжения сводится к разделению зарядов, при котором на одном из предметов (или части предмета) появляется избыток положительного заряда, а на другом (или другой части предмета) — избыток отрицательного заряда. Общее количество зарядов обоих знаков, которое содержится в телах, не изменяется: эти заряды только перераспределяются между предметами.     Из обобщения опытных данных был сформулирован фундаментальный закон природы, который был экспериментально подтвержден в 1843 г. английским физиком М. Фарадеем (1791—1867), — закон сохранения заряда: алгебраическая сумма электрических зарядов любой замкнутой системы (системы, не обменивающейся зарядами с внешними телами) остается неизменной, какие бы процессы ни происходили внутри этой системы.     Электрический заряд есть величина релятивистски инвариантная, т. е. не зависит от системы отсчета, а значит, не зависит от того, перемещается этот заряд или находится в состоянии покоя.     В зависимости от концентрации свободных зарядов тела можно разделить на проводники, диэлектрики и полупроводники. Проводники — тела, в которых электрический заряд может перемещаться по всему его объему. Проводники с свою очередь разделяются на две группы: 1) проводники первого рода (металлы) — при переносе в них зарядов (свободных электронов) не приосходит химических превращений; 2) проводники второго рода (например, растворы кислот, расплавленные соли) — перенос в них зарядов (положительных и отрицательных ионов) ведет к химическим изменениям. Диэлектрики (например, пластмассы, стекло) — тела, в которых практически отсутствуют свободные заряды. Полупроводники (например, кремний, германий) занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. Указанное деление тел довольно условно, но большое различие в них концентраций свободных зарядов обусловливает большие качественные различия в их поведении и поэтому оправдывает деление тел на проводники, диэлектрики и полупроводники.

 

Закон Кулона

 

1

Рисунок 1. Силы   взаимодействия одноименных и разноименных зарядов.

 

На основании  многочисленных опытов Кулон установил  следующий закон: Силы взаимодействия неподвижных зарядов прямо пропорциональны произведению модулей зарядов и обратно пропорциональны квадрату расстояния между ними:

 

  Силы взаимодействия подчиняются  третьему закону Ньютона: Они являются силами отталкивания при одинаковых знаках зарядов и силами притяжения при разных знаках (рис. 1). Взаимодействие неподвижных электрических зарядов называют электростатическим или кулоновским взаимодействием. Раздел электродинамики, изучающий кулоновское взаимодействие, называют электростатикой. Закон Кулона справедлив для точечных заряженных тел. Практически закон Кулона хорошо выполняется, если размеры заряженных тел много меньше расстояния между ними. Коэффициент пропорциональности k в законе Кулона зависит от выбора системы единиц. В Международной системе СИ за единицу заряда принят кулон (Кл).

 Кулон – это заряд, проходящий за 1 с через поперечное сечение проводника при силе тока 1 А. Единица силы тока (ампер) в СИ является наряду с единицами длины, времени и массы основной единицей измерения. Коэффициент k в системе СИ обычно записывают в виде:

где – электрическая постоянная.  Опыт показывает, что силы кулоновского взаимодействия подчиняются принципу суперпозиции. Если заряженное тело взаимодействует одновременно с несколькими заряженными телами, то результирующая сила, действующая на данное тело, равна векторной сумме сил, действующих на это тело со стороны всех других заряженных тел. Рис. 2 поясняет принцип суперпозиции на примере электростатического взаимодействия трех заряженных тел.

2

Рисунок 2. Принцип суперпозиции электростатических сил

 

        Электростатическое поле

Если  в пространство, которое окружает электрический заряд, внести другой заряд, то на него будет действовать  сила Кулона; значит, в пространстве, которое окружает данные электрические  заряды, существует силовое поле. По представлениям современной физики, поле реально существует и, как и  вещество, есть одна из форм существования  материи, посредством которого осуществляются некоторые взаимодействия между  макроскопическими телами или частицами, которые входят в состав вещества. В этом случае говорят об электрическом поле — поле, посредством которого взаимодействуют между собой электрические заряды. Мы будем рассматривать электрические поля, создаваемые неподвижными электрическими зарядами и называющимися электростатическими.  
 
Для обнаружения и опытного исследования электростатического поля используется пробный точечный положительный заряд — такой заряд, который не искажает исследуемое поле (не вызывает перераспределения зарядов, создающих поле). Если в поле, которое создается зарядом Q, поместить пробный заряд Q₀, то на него действует сила F, которая различна в разных точках поля и которая, согласно закону Кулона, прямо пропорциональна пробному заряду Q₀. Поэтому отношение F/Q₀ не зависит от Q₀ и полностью определяет электростатическое поле в той точке, где данный пробный заряд находится. Эта величина называется напряженностью и является силовой характеристикой электростатического поля.  

Электрическим полем называют одну из сторон электромагнитного поля, характеризующуюся воздействием на электрически заряженную частицу с силой, пропорциональной заряду частицы и не зависящей от ее скорости.

Электростатическое поле – это частный вид электрического поля. Оно создается совокупностью электрических зарядов, неподвижных в пространстве (по отношению к наблюдателю) и неизменных во времени.

Электрический заряд является одной из основных характеристик частиц и тел, определяющей их взаимодействие с внешним электромагнитным полем, а также их взаимосвязь с собственным электромагнитным полем.

Существует наименьший электрический заряд, который называется элементарным электрическим зарядом (заряд протона и электрона)..

Под электрическим зарядом тела понимают скалярную величину, равную алгебраической сумме элементарных электрических зарядов в этом теле.

Напряженность электростатического поля

 в данной точке есть  физическая величина, определяемая  силой, которая действует на  пробный единичный положительный  заряд, помещенный в эту точку  поля:  
 
(1)  
 
Как следует из формулы (1) и закона Кулона, напряженность поля точечного заряда в вакууме  
 
или (2)  
 
Направление вектора Е совпадает с направлением силы, которая действует на положительный заряд. Если поле создается положительным зарядом, то вектор Е направлен вдоль радиуса-вектора от заряда во внешнее пространство (отталкивание пробного положительного заряда); если поле создается отрицательным зарядом, то вектор Е направлен к заряду (рис. 1).  
 

Из формулы (1) следует, что  единица напряженности электростатического  поля — ньютон на кулон (Н/Кл): 1 Н/Кл — напряженность такого поля, которое  на точечный заряд 1 Кл действует с  силой в 1 Н; 1 Н/Кл= 1 В/м, где В (вольт) — единица потенциала электростатического  поля.

 

Рис.1

 
 
Графически электростатическое поле представляют с помощью линий напряженности — линий, касательные к которым в каждой точке совпадают с направлением вектора Е (рис. 2). Линиям напряженности задается направление, которое совпадает с направлением вектора напряженности. Поскольку в любой данной точке пространства вектор напряженности имеет только одно направление, то линии напряженности не могут пересекаться. Для однородного поля (когда вектор напряженности в любой точке постоянен по величине и направлению) все линии напряженности параллельны одному вектору напряженности. Если электрическое поле создается точечным зарядом, то линии напряженности — радиальные прямые, которые выходят из заряда, если он положителен (рис. 3, а), и которые входят в него, если заряд отрицателен (рис. 3, б).

 
 
Чтобы с помощью линий напряженности  задавать не только направление, но и  численное значение напряженности  электростатического поля. Условились рисовать их с определенной густотой ( рис. 2): число линий напряженности, которые пронизывают единицу площади поверхности, перпендикулярную линиям напряженности, должно быть равно модулю вектора Е. Тогда число линий напряженности, которые пронизывают элементарную площадку dS, нормаль n которой образует угол α с вектором Е, равно ЕdScosα = E_ndS, где Е_n — есть проекция вектора Е на нормаль n к площадке dS (рис. 4). Величина  
 
 
 
называется потоком вектора напряженности через площадку dS. Здесь dS = dSn — вектор, у которого модуль равен dS, а направление совпадает с направлением нормали n к площадке. Выбор направления вектора n (а следовательно, и db>S) условен, так как его можно направить в любую сторону. Единица потока вектора напряженности электростатического поля — 1 В•м.  
 
Для произвольной замкнутой поверхности S поток вектора Е сквозь данную поверхность  
 
(3)

 

Рис.4

 
 
где интеграл мы берем по замкнутой  поверхности S. Поток вектора Е является алгебраической величиной: зависит не только от свойств поля Е, но и от выбора направления n. Для замкнутых поверхностей положительным направлением нормали считается внешняя нормаль, т. е. нормаль, которая направлена наружу области, охватываемой поверхностью.  
 

 

 

 

 

 

 

 

 

Вывод

В истории развития физики существовала борьба двух теорий: дальнодействия и близкодействия. В теории дальнодействия постулируется, что электрические явления определяются мгновенным взаимодействием зарядов на любых расстояниях. В теории близкодействия считается, все электрические явления определяются изменениями полей зарядов, причем эти изменения идут в пространстве от точки к точке с конечной скоростью. Обе теории, применительно к электростатическим полям, дают одинаковые результаты, хорошо согласующиеся с опытом. При рассмотрении явлений, которые обусловленны движением электрических зарядов, мы приходим к несостоятельности теории дальнодействия, поэтому современной теорией взаимодействия заряженных частиц является теория близкодействия.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Список  используемой литературы:

1. Мякишев Г. Я. Буховцев Б.Б “Физика для 10 классов средней школы” – М. Просвещение, 1990г. 223с
2. Спасский Б.И. “Физика в её развитие”, пособие для учащихся. - М. Просвещение, 1979г. 208с.
3. Т.И.Трофимова.  КУРС ФИЗИКИ 2003г. 149-150с

Апатиты 2012