§44 Поле как вид материи. Электрические и гравитационные поля.

Мы познакомились с двумя видами взаимодействия тел, удаленных друг от друга на некоторое расстояние – гравитационным и электрическим. Как же происходит это взаимодействие? Ведь тела не соприкасаются. Как одно тело «чувствует», что где-то находится другое?

Для объяснения взаимодействий на расстоянии была выдвинута гипотеза о существовании полей. Согласно этой гипотезе каждое тело, имеющее электрический заряд не равный нулю, окружено особым видом материи – электрическим полем.

Электрическое поле проявляет себя в действии на тела, имеющие электрический заряд, и создается телами, имеющими электрический заряд.

Кроме электрического поля существует гравитационное поле, которое проявляет себя в действии на любые тела, обладающие массой. Гравитационное поле создается телами, обладающими массой.

Таким образом, электрическое и гравитационное взаимодействия осуществляются по следующей схеме: одно тело создает поле, это поле действует на другое тело .

Мы подчеркнули, что поле – вид материи, т.е. существующая реальность, а не модель, как например, параллели и меридианы, земная ось и т.п. Поле – это еще один вид материи. До сих пор вы были знакомы только с одним видом материи – веществом. Напомним, что вещество – это то, из чего состоят все предметы.

Поле обладает различными свойствами, выделим главное из них. Гравитационное поле действует на любое тело, обладающее массой.

Электрическое поле действует на любое тело, обладающее зарядом.

Сила, с которой поле действует на тело, зависит от свойств тела и свойств поля в том месте, где находится тело. Гравитационное поле на тело с большей массой действует с большей силой F = mg. g – это силовая характеристика гравитационного поля в данной точке. Она показывает, с какой силой поле действует на тело массой 1 кг, помещенное в данной точке. У поверхности Земли g = 9,8 Н/кг. [H/ кг ] = [м/с²]. У поверхности Луны ускорение свободного падения приблизительно в 6 раз меньше g = 1,6 Н/кг, значит, и сила, действующая на тело во столько же раз меньше, чем на Земле.

Направление и силовую характеристику гравитационного поля мы чувствуем. В любой момент вы можете указать, где верх, где низ. «Низ» - это и есть направление силовой характеристики гравитационного поля Земли.

У человека есть специальный парный орган, расположенный в ушах, вестибулярный аппарат, определяющий направление гравитационного поля. Органа для обнаружения постоянного электрического поля нет. Однако, электрическое поле можно почувствовать по результатам его воздействия. Так, под действием поля волосы могут встать дыбом.

Силовой характеристикой электрического поля является напряженность. Она показывает, с какой силой электрическое поле в данной точке будет действовать на тело, обладающее зарядом в 1 Кл.

Для того, чтобы вычислить силу, с которой поле действует на тело, мы должны заряд этого тела умножить на напряженность поля в том месте, где находится тело. На тело с зарядом в 2 Кл будет действовать в два раза большая сила.

Напряженность электрического поля обозначается буквой Е, измеряется в Н/Кл.

F = qE

Поскольку сила величина векторная, то и напряженность электрического поля – векторная величина. Направление напряженности совпадает с направлением силы, действующей на положительно заряженное тело, помещенное в данную точку поля. Сила, действующая на тело с отрицательным зарядом, направлена в сторону противоположную напряженности.

Существуют приборы, позволяющие обнаружить электрическое поле и измерить его напряженность с большой точностью. Поскольку мы можем измерять напряженность электрического поля, следовательно, оно существует. Значит гипотеза о существовании электрического поля получила подтверждение.

Электрическое поле изображают с помощью линий, которые называют силовыми линиями. Силовая линия – это линия, касательная к которой в каждой точке, совпадает с направлением напряженности поля в данной точке.

На рисунках

с помощью силовых линий изображены поля положительно заряженного шарика (а) и отрицательно заряженного (б).

двух положительно заряженных шариков

двух разноименно заряженных шариков

Изменяя густоту силовых линий можно показать, что напряженность электрического поля,

создаваемого зарядом в 1 Кл (а), меньше, чем напряженность поля, созданного зарядом в 2 Кл (б) на одинаковом расстоянии от заряда.

Силовые линии всегда направлены от положительно заряженного к отрицательно заряженному телу;

через каждую точку поля можно провести силовую линию и притом только одну (силовые линии не пересекаются);

в области, где силовые линии гуще, напряженность поля больше;

силовые линии не материальны, реально они не существуют.

Каждое тело, имеющее электрический заряд не равный нулю, окружен особым видом материи – электрическим полем.

Электрическое поле проявляет себя в действии на тела, имеющие электрический заряд и создается телами, имеющими электрический заряд.

Поле – вид материи, т.е. существующая реальность

Гравитационное поле действует на любое тело, обладающее массой и создается телами, обладающими массой.

Силовой характеристикой электрического поля является напряженность. Она показывает, с какой силой электрическое поле в данной точке действует на тело, обладающее зарядом в 1 Кл.

Напряженность обозначается буквой Е, измеряется в Н/Кл.

F = qE

Напряженность электрического поля – векторная величина

. Направление напряженности электрического поля совпадает с направлением силы, действующей на положительно заряженное тело, помещенное в данную точку поля.

Силовая линия – это линия, касательная к которой в каждой точке, совпадает с направлением напряженности поля в данной точке.
Упражнение §44

1. 
   1.В чем сходство и различие гравитационного и электрических полей? Ответ дайте, заполнив таблицу, помещенную после упражнения.
   
2. 
   Электрическое поле действует на шарик с зарядом 1 мКл силой в 0,1 Н. Какова напряженность поля?
   
3. 
   С какой силой будет действовать поле на шарик, если его заряд уменьшится до 0,01 мКл?
   
4. 
   3.* Изобразите с помощью силовых линий гравитационное поле Земли.
   
5. 
   На
   

изображено электрическое поле, образованное двумя заряженными телами. Определите знаки зарядов этих тел.

6. 
   Что является силовой характеристикой гравитационного поля см. рисунки?
   

Таблица Свойства гравитационного и электрического полей.

Электрическое поле	Гравитационное поле
	Создается телом с массой М
Заполнить после изучения §45	Действует на тела с силой
	Силовая характеристика g
	F=mg
	Изображают с помощью силовых линий.
Поле отрицательного заряда.	Поле точечного или сферического тела.
Поле положительного заряда.	Отрицательной массы не существует.

Задание
На лист бумаги поместите мелкие кусочки нити (волос) длиной около 1см так, чтобы они равномерно и хаотично расположились на ней. С другой стороны поднесите наэлектризованную расческу. Хаотическое расположение нитей сменится упорядоченным. Зарисуйте наблюдаемую картину.

§45 Закон Кулона.

В §43 мы отметили, что при увеличении расстояния между заряженными телами силы, действующие на каждое из тел, уменьшаются.

Это означает, что напряженность поля при удалении от заряда уменьшается. Если вы посмотрите на картину электрического поля точечного заряда,

то также увидите, что чем дальше от заряда, тем дальше друг от друга силовые линии.

Кулон своими опытами доказал, что напряженность электрического поля, создаваемого точечным зарядом (материальной точкой, имеющей заряд) прямо пропорциональна величине заряда и обратно пропорциональна квадрату расстояния от него до данной точки поля.

, где k =9 10⁹– коэффициент пропорциональности

Напомним, что ускорение свободного падения (силовая характеристика гравитационного поля) где G =6,6710^-11 – гравитационная постоянная.

Числовое значение гравитационной постоянной G в 1,34 10²⁰ меньше коэффициента пропорциональности k. Это означает, что два разноименных заряда по 1 Кл каждый притягиваются с такой же силой, как два шарика массой 10¹⁰кг (по 10 миллионов тонн каждый), находящихся на таком же расстоянии, что и заряды.

Из-за такого большого отличия числовых значений коэффициентов мы не замечаем гравитационного взаимодействия обычных тел.

Формула для напряженности электрического поля была получена из закона Кулона. Этот закон был открыт экспериментально Кавендишем в 70-ых годах 18 века. Но Кавендиш не опубликовал своих результатов. Кулон опубликовал результаты своих исследований о взаимодействии заряженных тел в 1785 году. Согласно которым сила взаимодействия двух точечных тел, обладающих зарядами, определяется формулой

, где q₁ и q ₂ – заряды тел, r – расстояние между ними. С тех пор этот закон носит название закона Кулона.

Мы предлагаем вам убедиться самостоятельно в сходстве закона Кулона и закона всемирного тяготения, открытого Ньютоном в 1687 году.

Напряженность электрического поля, создаваемого точечным зарядом прямо пропорциональна величине заряда и обратно пропорциональна квадрату расстояния от заряда до данной точки поля. , где k=9^.10⁹

Сила взаимодействия двух точечных тел, обладающих зарядами, определяется формулой .

Упражнение §45.

1. 
   Какова напряженность поля, действующего с силой 300 Н на тело зарядом 1 нКл?
   
2. 
   Во сколько раз уменьшится напряженность поля, если расстояние от тела до создающего поле заряда увеличится в три раза?
   
3. 
   Какая сила действует на тело зарядом 2 нКл, если это тело находится на расстоянии 2 м от тела зарядом 4 мкКл. Какова напряженность электрического поля в этой точке?
   
4. 
   Какая сила действует на тело массой 100 г и зарядом 2 мкКл, помещенное в электрическое поле с напряженностью 500 Н/Кл? Какое ускорение приобретет это тело под действием электрического поля?
   
5. 
   Напряженность электрического поля у поверхности Земли Е=130, Определите величину заряда Земли, если направлена напряженность так же, как и ускорение свободного падения.
   

Задание

Возьмите соломинку (трубочку для коктейля), закрепите ее на острие иголки. На концах соломинки укрепите два легких шарика, сделанных из фольги

Зарядите шарики, прикоснувшись к ним наэлектризованной о волосы расческой.

Поочередно поднося наэлектризованную расческу то к одному, то к другому шарику (касаться их не надо), заставьте вращаться получившуюся «карусель». Меняется ли сила, действующая на шарик, при изменении расстояния. Как вы это установили?

***Для интересующихся.

Для проведения точных опытов по измерению силы взаимодействия зарядов французский инженер Шарль Кулон предложил крутильные весы. В этом приборе измеряемая сила закручивает очень тонкую кварцевую или металлическую нить. Так как сопротивление, оказываемое тонкой нитью скручиванию, ничтожно мало, то крутильные весы очень чувствительны. С помощью этого прибора Кулон установил, что взаимное отталкивание или притяжение наэлектризованных тел изменяется обратно пропорционально квадрату расстояния между ними. Позднее было доказано, что тому же закону подчиняется и взаимодействие магнитных полюсов.

Кулон первый доказал, что электричество распределяется только по поверхности проводников. Зарядив массивный латунный шар, он прикоснулся к нему изолированным полым шаром того же диаметра. Измерение показало, что на полый шар перешла ровно половина электричества массивного шара.

Следовательно, при распределении электричества имела значение не масса шаров, а только величина поверхности каждого из них.

Позднее английский исследователь Генри Кавендиш подтвердил, что электричество распределяется только по поверхности. Он изготовил два полых медных полушария,

которые вплотную прилегали к поверхности латунного шара на стеклянной ножке. Зарядив сначала этот шар электричеством, Кавендиш покрыл его полушариями, держа их за изолирующие ручки. С помощью электрометра он обнаружил, что весь заряд перешел на поверхность полушарий.

Свойство электричества распределяться только по поверхности хорошего проводника очень удивляло физиков. Им заинтересовался и знаменитый английский физик Майкл Фарадей (1791—1864).

Фарадей с чувствительным электроскопом вошел внутрь деревянного ящика, покрытого снаружи фольгой. Его ассистент зарядил оболочку из фольги электричеством. Но, хотя заряд бы очень сильным, на внутренней поверхности фольги не было обнаружено следов электричества. Фарадей не испытывал никаких ощущений, а его электроскоп ничего не показывал,

Исследуя распределение электричества на поверхности медного шара, Кулон брал «пробы», прикладывая к нему в разных местах небольшую металлическую пластинку на изолирующей ручке. Оказалось, что количестве электричества, переходящее на пластину. было везде одинаковым. Но, исследуя заряженные тела иной формы, он убедился, что, чем более выпукла поверхность заряженного тела, тем сильнее заряжается прикасающаяся к ней пластинка. Больше всего пластинка заряжается у острия.

§46Энергия тела в электрическом поле.

Продолжим обсуждение сходных свойств гравитационного и электрического полей. В гравитационном поле, которое часто называют полем тяготения, каждое тело обладает потенциальной энергией. Энергией, которая зависит от координат.

В § 14 мы показали, что в гравитационном поле, созданном точечным или сферическим телом, потенциальную энергию любого тела можно вычислить по формуле

.

где М - масса тела, создающего поле,

G - гравитационная постоянная,

m- масса тела, энергию которого мы определяем.

Гравитационное поле обладает интересным свойством, которое следует из закона сохранения энергии. Изменение энергии тела равно работе, совершенной над телом.

Представим себе комету, движущуюся по вытянутой орбите вокруг Солнца

Пусть в некоторый момент времени комета была в точке А. Через время, равное периоду обращения кометы, она вновь окажется в этой точке, т.е. ее потенциальная энергия окажется прежней. Это означает, что полная работа совершенная гравитационным полем равна нулю, если тело вернулось в начальную точку. Поля, работа которых при перемещении тел по замкнутой траектории равна нулю, называются потенциальными. Поскольку электрическое поле тоже потенциально, то можно представить, как движется заряд вокруг другого.

Электрическое поле неподвижного заряда, также является потенциальным. (Для краткости мы будем иногда заменять словом «заряд» фразу «тело обладающее электрическим зарядом»).

Потенциальная энергия заряженного тела в поле точечного заряда вычисляется по формуле

где k=9^.10⁹коэффициент пропорциональности тот же, что и в законе Кулона,

Q -заряд тела, создающего поле,

q -заряд тела, энергию которого мы ищем,

r - расстояние между телами.

Из формулы видно, что если тела имеют заряды одинаковых знаков (происходит отталкивание), то энергия положительна, если разных знаков ( происходит притяжение), то потенциальная энергия отрицательна. Также как и в гравитационном поле.

Потенциальная энергия зависит от координат.

Поля, работа которых при перемещении тел по замкнутой траектории равна нулю, называются потенциальными.

Электрическое поле, создаваемое неподвижным электрическим зарядом, является потенциальным

Потенциальная энергия заряженного тела вычисляется по формуле

Упражнение §46.

1. 
   Потенциальная энергия сжатой пружины измеряется в джоулях. В каких единицах измеряется потенциальная энергия тела в электрическом поле?
   
2. 
   Заряженное тело в электрическом поле прошло путь 2 м и вернулось в ту же точку. Изменилась ли энергия тела, если другие тела на него не действовали?
   
3. 
   Заряд приближается к другому заряду. Что происходит с его потенциальной энергией? Рассмотрите разные случаи взаимодействия зарядов.
   
4. 
   Чему равна потенциальная энергия заряженного тела, удаленного от другого заряда на очень большое расстояние?
   
5. 
   Чему равна потенциальная энергия самолета массой 2 т, имеющего заряд 5 мКл, если он летит на высоте 2 км. Заряд Земли принять равным 0,5 Кл.
   
6. 
   При перемещении тела по замкнутой траектории равна ли нулю работа сил трения?
   

Задание

При выполнении задания № 1, §6 для определения своей мощности предлагалось n раз поднять груз на некоторую высоту.

Используя ваши знания о потенциальности гравитационного поля и закона сохранения энергии, придумайте способ или устройство, которое в соответствие с условиями, изложенными в вышеупомянутом задании, позволило бы вам продемонстрировать в течение нескольких минут большую мощность, затратив минимальную энергию.

*** Для интересующихся

АТМОСФЕРНОЕ ЭЛЕКТРИЧЕСТВО

В природе положительно и отрицательно заряженные частицы возникают при различных процессах. Так, например, мельчайшие брызги над водопадом заряжены отрицательно, а более крупные — положительно. Разделение зарядов в этом случае, как доказали лабораторные опыты, происходит при разбрызгивании воды. Дождевые капли, снежинки, градинки также несут электрические заряды.

В кучевом облаке есть и положительные, и отрицательные заряды. Но в целом оно электрически нейтрально. Облако становится грозовым, когда заряды различных знаков скапливаются в разных его частях. Такое разделение может произойти внутри облака, находящегося в восходящем потоке воздуха.

(Линии со стрелками показывают направление движения воздуха).

Тяжелые капельки воды иногда скапливаются в нижней части облака, а легкие — в верхней. Когда напряженность достигает большой величины, происходит разряд; проскакивает огромная искра — молния.

Как подтвердили исследования советских ученых И.С. Стекольникова и Н.А. Капцова, молния представляет собой прерывистый разряд, т е несколько разрядов, быстро следующих один за другим. Она начинается сравнительно медленным «ветвистым» распространением отрицательного заряда из облака к земной поверхности. Образуется «канал», по которому положительный заряд с большой скоростью проскакивает от земной поверхности к облаку, нейтрализуя его отрицательный заряд.

Процесс каждого такого разряда (импульса) протекает в сотые доли секунды, а несколько импульсов, воспринимаемых глазом как вспышка молнии заканчиваются обычно в течение 0,2—0,3 с.

Молния избирает путь в том направлении, в каком встречает наименьшее сопротивление. Она ударяет чаще всего в высокое дерево, крышу здания или в вершину холма. Но бывает, что удар направляется в берег реки, хотя недалеко стоит высокое дерево: значит, в направлении берега сопротивление было меньше, так как сырой грунт хорошо проводит электричество.

Известен случай, когда молния ударила в сравнительно невысокую фабричную трубу, из которой поднимался столб дыма, хотя рядом была гораздо более высокая труба. Очевидно, столб дыма облегчил разряд.

Молния, ударившая в дерево, раскалывает и зажигает его ствол, а попав в деревянное здание, вызывает пожар. Ударив в кирпичную фабричную трубу молния разрушает ее. В горах она раскалывает утесы. Проходя через песок, молния сплавляет его.

В 1745 г. американский физик Франклин (1706-90) произвел свой известный опыт. Он запустил под грозовую тучу бумажного змея с металлическим острием, от которого свешивалась вниз бечева с железным ключом на конце. Из ключа Франклин извлек довольно крупные электрические искры. Сообщение об этих опытах, переведенное на многие языки, появилось и в «Санкт-Петербургских Ведомостях», издававшихся Российской Академией наук. Почти одновременно с Франклином изучал атмосферное электричество Ломоносов вместе со своим другом Георгом Рихманом (1711—1753). Для своих наблюдений Ломоносов и Рихман построили специальные установки — «громовые машины».

На крыше дома или на вершине дерева укреплялся высокий шест с заостренным железным стержнем, от которого спускалась проволока. Во время грозы наблюдатели извлекали из проволоки электрические искры. Эти опыты были чрезвычайно опасны. Однажды от проволоки отделился небольшой огненный шарик — шаровая молния; ее взрыв привел к гибели Рихмана.

Опыты Ломоносова и Рихмана доказывали, что молнии и искусственно получаемые электрические искры имеют одну и ту же природу. Электрическая сила, поднимавшая до тех пор пушинки и кусочки бумаги, оказалась способной метать молнии.

Франклин, стремившийся применить результаты исследований на практике, первый предложил средство для предохранения высоких зданий от удара молнии. В своих опытах он наблюдал, что электрический заряд «стекает» с острия. Если снабдить металлическим острием кондуктор электрической машины, то возникающий на нем заряд быстро уходит в воздух. Когда вблизи заряженного кондуктора находится направленное на него и соединенное с землей острие, то наблюдается такое же явление. Стекающее с острия отрицательное электричество нейтрализует положительный заряд кондуктора электрической машины.

На основе подобных опытов Франклин предложил устанавливать на высоких зданиях «громоотводы», т. е. высокие металлические острия, изолированные от здания и соединенные проводником с землей. Однако во многих странах установка громоотводов встретила сопротивление служителей церкви. Только с течением времени, постепенно освобождаясь от предрассудков, люди стали устанавливать громоотводы.

Защищенное громоотводом пространство можно приблизительно определить конусом, радиус основания которого равен высоте громоотвода.

Все предметы внутри этого конуса почти всегда защищены от удара молнии. Громоотводы устанавливаются для защиты домов, городских сооружений и сельских построек.

Давно уже замечено явление так называемой шаровой молнии, не получившее до настоящего времени удовлетворительного объяснения. Эта молния имеет вид следующих друг за другом светящихся шариков или даже одного шара. Огненный шар может достигать величины футбольного мяча, иногда его диаметр измеряется даже метрами. По рассказам очевидцев, шаровая молния имеет голубой цвет.

Она нередко проникает через открытое окно или небольшую щель внутрь домов и часто вылетает через теплую печную трубу, как бы следуя за воздушным током. Разряд (взрыв шаровой молнии) вызывает иногда значительные разрушения или пожары..

§47Разность потенциалов

Потенциальная энергия тела в гравитационном и электрическом поле, созданном неподвижным зарядом, зависит только от координат тела. Это значит, что при перемещении тела из точки 1 в точку 2

его энергия изменится на некоторую величину, и это изменение равно

E_п = E_п2 - E_п1

Причем это изменение не зависит от того, по какой траектории двигалось тело.

Поясним это следующим образом. Пусть тело переместилось из точки 1 в точку 2. При этом поле совершило работу А₁₂.Затем оно вернулось в точку 1 по другой траектории и совершило работу А₂₁ Так как тело вернулось в ту же точку, работа потенциального поля равна нулю, т.е. А₂₁ + А₁₂ =0. Отсюда А₁₂ = - А_21.

Если бы тело вначале двигалось по траектории АДС, а вернулось по траектории СВА результат был бы тем же самым. Отсюда следует, что работа, совершаемая полем, не зависит от траектории движения тела, а зависит только от его начального и конечного положения .

Обратите внимание, что мы не говорили к какому полю относятся наши рассуждения. Они верны и для гравитационного поля и для электрического поля, создаваемого неподвижным зарядом, которое в дальнейшем будем называть электростатическим.

Изменение потенциальной энергии в гравитационном поле равно

Е_п = -

Мы знаем, что изменение энергии равно работе поля, взятой с обратным знаком А_гр= -Е_п =-

Для электростатического поля А_эл = .

Вынесем за скобки в первом случае массу тела, над которым совершается работа, во втором - заряд. Мы получим следующие выражения для работы:

А_гр= m(-) (1)

А_эл = q() (2)

Мы видим, что работа, которую совершает поле над телом, зависит от свойств тела: массы для гравитационного поля и заряда для электрического.

Величина, стоящая в скобках выражения (2), называется разностью потенциалов. Разность потенциалов характеризует две точки поля и показывает, какую работу совершит поле, если тело, имеющее заряд , переместится из одной точки в другую.

Разность потенциалов электростатического поля равна отношению работы, совершаемой полем по перемещению заряда к величине этого заряда. Другими словами, она показывает, какая работа совершается полем при перемещении заряда в 1 Кл из одной точки в другую.

Разность потенциалов электростатического поля



обозначается   =

Измеряется разность потенциалов в вольтах. 1В = 1. Эта единица получила свое название в честь итальянского ученого Алессандро Вольта(1745-1827).

Разность потенциалов между расческой и шариком, о которых говорилось в предыдущих параграфах, была равна нескольким тысячам вольт.

Разность потенциалов гравитационного поля измеряется в Дж/кг. Эта единица специального названия не имеет. Разность потенциалов между полом и потолком, если высота комнаты 3 м, равна 30 Дж/кг.

Поле, создаваемое неподвижным электрическим зарядом, называется электростатическим.

Разность потенциалов электростатического поля
Разность потенциалов электростатического поля равна отношению работы, совершаемой полем по перемещению заряда, к величине этого заряда q, обозначается 

 =

Измеряется разность потенциалов в вольтах. 1В = 1.. Эта единица получила название вольт (В).

Упражнение §47.

1. 
   Нарисуйте силовые линии поля положительного заряда. Отметьте точки с одинаковым потенциалом.
   
2. 
   Тело с зарядом q=5^.10^-4 Кл переместилось из точки А в точку В. На сколько увеличилась его кинетическая энергия, если разность потенциалов между этими точками _АВ= 500В. Действием других тел пренебречь.
   
3. 
   Напишите формулу, выражающую зависимость потенциальной энергии тела от расстояния до другого массивного тела. Как изменяется потенциальная энергия при увеличении расстояния между телами?
   
4. 
   Заряд Земли Q=-5,7^.10^-5 Кл. На сколько увеличивается энергия протона – частицы с зарядом q= 1, 6 ^.10^-19 Кл, если она приблизится из дальнего космоса к Земле на расстояние 6500 км от центра Земли. Масса протона m=1,7^.10^-27 кг. Масса Земли М=6^.10²⁴ кг.
   

§48. Электроны и протоны.

Электрическое поле создается заряженными телами. У различных тел может быть разный заряд. Заряд одного и того же тела может меняться, при этом другие свойства тел: масса, объем остаются постоянными. Как же происходит изменение зарядов?

В 1897 году английский физик Джозеф Джон Томсон (1856-940) доказал, что в состав всех атомов, из которых состоят молекулы, входит электрон.

Электрон - это частица, обладающая отрицательным электрическим зарядом.

Заряд электрона обозначается буквой е и равен -1,6 ^.10^-19 Кл.

Масса электрона m_e очень мала, она равняется 9,1^. 10^-31кг. Электроны довольно “свободолюбивые” частицы и могут переходить от одного атома в веществе к другому. Некоторые атомы могут захватывать до четырех лишних электронов. Представьте себе два атома, заряды которых равны нулю. Один из электронов первого атома был отнят вторым атомом. В результате этого второй атом получил отрицательный заряд, равный заряду электрона. Но, согласно закону сохранения заряда, сумма зарядов этих двух атомов должна остаться равной нулю. Т.е. первый атом, лишившись электрона, стал положительно заряженным. Его заряд равен заряду электрона с противоположным знаком, т.е. + 1,6^.10^-19 Кл.

Это возможно в том случае, если в состав атома входят частицы с положительными зарядами, их называют протонами. Протон в 2000 раз тяжелее электрона, а заряд равен заряду электрона с противоположным знаком. Экспериментально было установлено, что масса протона m_p =1,7^.10²⁷кг. Заряд протона q_p =+1,6^.10^-19 Кл.

Протоны составляют жесткую конструкцию атомов. Если хоть один протон удалить из атома, он разрушается, превращаясь в атом другого вещества.

Атом водорода самый простой атом, он состоит из одного протона и одного электрона. Английский ученый Э. Резерфорд , на основании своих опытов, утверждал, что атом похож на Солнечную систему. В центре атома находится ядро ( у водорода оно состоит из одного протона). На огромном расстоянии от него - электрон, которому и улететь от ядра сложно, поскольку разноименные заряды притягиваются, и приблизиться к ядру он не может. На рисунке изображены модели атомов H, C, Si, Al.

Обратите внимание, что «огромное расстояние» равно приблизительно одной стомиллионной см (10^-8см). Если представить, что Солнце в масштабе изображает ядро атома водорода, то электрон должен находится во много раз дальше от ядра, чем Плутон от Солнца.

Изобразить атом в масштабе невозможно, так как если на рисунке ядро будет в виде точке диаметром 1 мм, то электрон надо нарисовать на расстоянии 50 м от нее. Если атом изобразить в виде шарика радиусом 10 см, то ядро должно быть точкой с диаметром менее одной тысячной миллиметра. Такую точку нельзя увидеть даже в микроскоп. Когда Резерфорд обработал результаты эксперимента по изучению строения атома, он был очень удивлен тем, что атом оказался «пустым».

Изменение зарядов тел происходит за счет перемещения электронов от одного тела к другому. Заряд тела с избытком электронов - отрицательный.

Незаряженное тело при потере электронов получает положительный заряд.

Почему же мы не замечаем изменения массы тела при изменении заряда? Представим шарик массой 1 г, которому мы хотим сообщить заряд 0,16 мкКл. В наших опытах заряды были намного меньше. Нам придется удалить с шарика =10¹² электронов. Их масса 10^-30.10¹² = 10^-18 кг, (10^-15 г). Даже самые чувствительные весы не могут зарегистрировать такое маленькое изменение массы.

Электрон - это частица, обладающая отрицательным электрическим зарядом.

Заряд электрона обозначается буквой е и равен -1,6 10^-19 Кл.

Масса электрона m_e= 9,1^.10^-31кг.

В состав атома входят частицы с положительными зарядами, их называют протонами.

Масса протона m_p =1,7^.10²⁷кг.

Заряд протона q_p =+1,6 10^-19 Кл.

Заряд тела, у которого избыток электронов - отрицательный.

Незаряженное тело при потере электронов получает положительный заряд.

Упражнение §48.

1. 
   Каково происхождение слова электрон? Можете ли вы утверждать, что в любом украшении присутствует янтарь?
   
2. 
   Атом, потерявший один или несколько электронов, называется положительным ионом. Свойства кислот определяется наличием в них положительных ионов водорода. Каковы на вкус протоны?
   
3. 
   Какова масса электронов, содержащихся в 1 г водорода?
   
4. 
   Почему для того, чтобы оторвать электрон от атома, надо затратить энергию?
   
5. 
   Могут ли два электрона образовать атом?
   
6. 
   Во сколько раз сила отталкивания между двумя электронами больше силы гравитационного притяжения между ними? Как вы считаете, надо ли учитывать последнюю при изучении взаимодействия электронов?
   

Задание

Возьмите пластмассовую бутылку и налейте в нее воды чуть меньше половины. Проделайте в крышке отверстие малого диаметра. бутылки. Закройте бутылку этой крышкой. Переверните бутылку вверх дном над раковиной. Наблюдайте за вытеканием струи. Через несколько секунд вода вытекать перестанет. Почему это происходит? Объясните. Чтобы вытекание воды было равномерным, проделайте в бутылке выше уровня воды еще одно отверстие.

Наэлектризуйте о волосы расческу из диэлектрика и поднесите к струе воды, не касаясь ее. Если все сделано правильно, то вы обнаружите, что расческа отклоняет струю воды.

Если отклонение отсутствует, проверьте, заряжена ли расческа? Для этого возьмите маленький кусочек газеты и поднесите расческу к нему. Если бумага не притягивается, то расческа не наэлектризована. Это возможно в том случае, если вы касались ее мокрыми руками или у вас влажные волосы. Перемещая расческу, добейтесь попадание струи в заранее определенное место. Данный эксперимент может служить упрощенной моделью управления электронным пучком.

*** Для интересующихся.

Современная техника умеет создавать пучки электронов, летящих с огромной скоростью. Такие пучки называют электронными лучами. Нагретые металлы испускают электроны. На рисунке 149 показано, что раскаленная проволочная спираль испускает электроны, которые вылетают через отверстие.

Благодаря малой массе электронов и наличию электрического заряда у них, такими пучками можно управлять с помощью электрического поля или магнита.

При столкновении с мишенью такой электронный луч может вызвать ее нагрев, что используется в технике для обработки материалов. Если мишень будет изолирована, то через некоторое время электроны перестанут попадать на нее, так как присоединяя электроны мишень приобретает отрицательный заряд.

В кинескопах телевизоров и мониторов электронный луч, попадая на экран, вызывает свечение вещества, которым он покрыт, и вы видите изображение.

В том месте, куда попадает большее количество электронов, экран светится ярче. Разная интенсивность свечения и создает изображение.

Благодаря тому, что различные вещества под ударами электронов светятся различным цветом, можно получить цветное изображение.

Если скорость электронов увеличить, то при их столкновении с металлом появится рентгеновское излучение. Рентгеновские волны отличаются от световых тем, что длина волны у них значительно меньше, и благодаря этому многие вещества для них прозрачны, как для света стекло. Рентгеновские лучи используются в медицине, в промышленности, научно-исследовательских лабораториях.

§49. Электризация тел.

В опытах, которые описывались в предыдущих параграфах, заряд телу сообщался при трении его о другое тело. При этом тела получали разноименные заряды с равными модулями.

Явление, при котором увеличивается модуль заряда тела, называется электризацией. В процессе разделения заряженных тел совершалась работа, так как заряды тел разноименные, они притягиваются друг к другу и для их разделения необходимо приложить силу. Мы знаем, что работа связана с изменением энергии. При электризации возникает электрическое поле, энергия которого и равна совершенной работе.

Как же происходит процесс электризации? Каждое тело состоит из атомов. Электроны могут перемещаться от одного атома к другому. В одних веществах электроны перемещаются свободно, это серебро, медь, олово, алюминий и прочие металлы. Такие вещества называются проводниками, в них много свободных электронов. В жидкостях и газах свободными зарядами могут быть ионы (атомы и молекулы имеющие заряд за счет потери или приобретения электронов). Тела человека и животных являются проводниками.

Есть вещества, в которых свободных электронов мало и их взаимодействие с атомами таково, что перемещение от одного атома к другому затруднено. Такие вещества называют полупроводниками. Примерами полупроводников могут служить германий, кремний.

Третий вид веществ – диэлектрики. Это вещества, в которых отсутствуют свободные заряды, например: полиэтилен, воск, янтарь, стекло, фарфор, газы, сухая бумага, сухое дерево. О бумаге и дереве следует сказать особо: даже небольшое количество влаги превращает их в проводники.

В опытах по электризации мы использовали в основном диэлектрики. Так, при трении расчески о полиэтилен, расческа заряжалась отрицательно, полиэтилен - положительно.

Что же при этом происходило? Электроны с полиэтилена переходили на расческу. В результате на расческе наблюдался избыток электронов, на полиэтилене их недостаток.

Если бы расческа была металлической, то заряд на ней обнаружить не удалось бы, так как избыточные электроны «убежали бы» с расчески через руку. Ведь и рука, и металлическая расческа - проводники.

Рассмотрим, почему притягиваются к наэлектризованному телу ( например, пластмассовой расческе) незаряженный шарик из фольги , подвешенный на нити.

Электрическое поле, создаваемое наэлектризованной расческой, неоднородно.

На малом расстоянии напряженность поля больше (силовые линии гуще). Чем дальше от расчески, тем напряженность меньше.

Под действием электрического поля электроны внутри шарика переместятся дальше от расчески. При этом ближняя к расческе часть шарика заряжается положительно, дальняя - отрицательно.

Согласно закону сохранения заряда модули этих шариков одинаковы.

Напомним, что сила, действующая на заряженное тело, равна F= qE

Так как ближе к расческе напряженность поля больше, то и сила притяжения F₁ , больше силы отталкивания F_{2 .} незаряженный проводник втягивается в ту область поля, где напряженность больше. Шарик притягивается к расческе.

Проделаем снова этот опыт. Если вовремя не убрать расческу, то шарик коснется ее и мы обнаружим, что сила притяжения исчезла и появилась сила отталкивания. Что же произошло?

При соприкосновении шарика с расческой, часть избыточных электронов с поверхности расчески переходит на шарик. Заряд правой части шарика стал равным нулю. А заряд левой части по прежнему отрицательный. Т.е. сила отталкивания осталась, а сила притяжения исчезла.

Полный заряд шарика стал отрицательным. Тело с зарядом равным нулю притягивается к заряженному телу, если тела не точечные.

На основе анализа рассмотренного опыта, можно предложить еще один способ электризации проводящих тел. Возьмем металлическую палочку, закрепленную на ручке из диэлектрика.

Поднесем к правой части палочки, не касаясь ее, положительно заряженное тело. Часть электронов палочки переместится вправо. Правый конец палочки приобретет отрицательный заряд, а левый - положительный. явление называется электризацией через влияние. Если коснуться левого конца рукой, то его заряд обратится в ноль, а полный заряд палочки будет отрицательным. После удаления шарика, он распределится по всей поверхности палочки.

Заряд шарика (тела, которое мы использовали для электризации) не изменился. Палочка заряжается отрицательно, согласно закону сохранения заряда наше тело приобретает положительный заряд.

Явление, при котором увеличивается модуль заряда тела, называется электризацией.

При электризации возникает электрическое поле, обладающее энергией.

Вещества, в которых много свободных зарядов называются проводниками.

Вещества, в которых свободных зарядов мало называют полупроводниками.

Диэлектрики - это вещества, в которых отсутствуют свободные заряды.

Упражнение §49 .

1. 
   Два тела притягиваются друг к другу. Можно ли сказать, что они имеют заряды разных знаков?
   
2. 
   Два тела отталкиваются. Может ли быть так, что у одного из них заряд равен нулю?
   
3. 
   Силовые линии начинаются на положительных и кончаются на отрицательных зарядах.
   

Нарисуйте силовые линии, изображающие поле, образованное заряженным шариком, который находится около незаряженного металлического листа большого размера.

Учтите возможность перемещения зарядов в листе.

4. 
   Объясните, почему незаряженная струя воды отклоняется к заряженной расческе.
   

Задание.

1. 
   Сомните кусочек фольги так, чтобы получился шарик диаметром приблизительно 1 см. Подвесьте его на нитке, длиной не менее 0,5 м. Поднесите к шарику наэлектризованную расческу. Расположите руку так, чтобы ладонь касалась шарика, как показано на
   

Опишите и объясните наблюдаемое явление. Если у вас есть колокольчик, вместо руки используйте его.

Вырежьте из фольги полоску согласно рисунку,

на котором она изображена в масштабе 1:1. Чем тоньше перемычка А, тем чувствительнее прибор. Согните полоску по оси симметрии ОО и прикрепите с помощью пластилина или клея к чайной ложке ( или спице, вставленной в пробку). Поместите ложку внутрь пластмассовой бутылки. Очень важно, чтобы бутылка была сухая. Полученное устройство называется электроскопом.

Поднесите к ложке наэлектризованную расческу, не касаясь ее. Листочки фольги должны разойтись. Объясните наблюдаемое явление.

Аккуратно проведите расческой по ложке, чтобы электроны перешли на ложку с как можно большей поверхности расчески. Уберите расческу. Что вы наблюдаете? Объясните явление.

Вновь наэлектризуйте расческу. Снова поднесите ее к ложке, не касаясь ее. Почему листочки сходятся?

Снова зарядите электроскоп. Поднесите к нему руку, не касаясь ложки, как можно ближе к ней. Почему лепестки вначале сходятся, а при удалении руки вновь расходятся? Что происходит с лепестками, если коснуться ложки рукой?

*** Снова зарядите электроскоп. Поднесите к нему зажженную спичку или зажигалку. Что произошло с листочками? Сможете ли вы объяснить это явление?

*** Для интересующихся.

Начальные сведения об электризации трением и свойствах магнитной стрелки относятся к глубокой древности. Однако историю науки об электромагнитных явлениях можно начать с исследований Вильяма Гильберта врача английской королевы Елизаветы, опубликовавшего в 1600 г. первое сочинение по электричеству и магнетизму. В нем он указал на неразделимость полюсов магнита, уподобил Землю большому магниту и описал электризацию трением. Именно Гильберту принадлежит введение в науку термина «электричество». Он установил, что стекло, смола, графит и другие вещества также электризуются при трении. Натертые шелком или сукном, они притягивают пушинки, кусочки бумаги и соломинки. Способность наэлектризованных тел притягивать приписывалась «электрической силе». Заслуживают внимания опыты Отто Герике по электризации тел. Для исследования электрических явлений Герике изготовил из серы большой шар. Для этого он наполнил расплавленной серой стеклянный полый шар и, когда сера затвердела, разбил стеклянную оболочку. Натирая рукой шар из серы, он наблюдал притяжение к нему легких предметов.

Для большего удобства Герике установил шар на оси в особом станке. Вращая с помощью рукоятки этот шар и прижимая к нему ладонь, он наэлектризовывал его. С помощью этой электрической машины Герике произвел много опытов, описанных им в сочинении «Новые эксперименты» вышедшем в 1672 г. Герике наблюдал притяжение легких тел к наэлектризованному шару. Он заметил также, что пушинки и кусочки бумаги, коснувшись шара, отскакивали от него. Ему удалось даже заставить пушинку, коснувшуюся шара, плавать над наэлектризованным шаром в воздухе.

Сообщение Герике об его опытах по электричеству не сразу привлекло внимание физиков. Им казалось, что электрические явления не имеют связи с другими силами природы.

В 1729 г. английский физик Стефан Грэй (1670—1736) сделал важное открытие. Он взял стеклянную трубку и закрыл ее пробкой, в которую воткнул длинный металлический стерженек с шариком из слоновой кости на конце. Затем он натер трубку куском сукна. Оказалось, что электричество перешло с трубки на шарик из слоновой кости. Испытывая различные тела различной природы, Грэй установил существование электропроводимости. Электричество распространялось по металлическим проволокам, угольным стерженькам, пеньковой бечевке. Но оно не передавалось по каучуку, воску, шелковым нитям, фарфору, которые могут служить изоляторами, предохраняющими от утечки электричества. К числу хороших проводников, как доказали опыты Грэя, принадлежат ткани тела человека и животных.

Кстати, позднее петербургский академик Франц Эпинус (1724— 1802) доказал, что не существует совершенных изоляторов. Все вещества в большей или меньшей степени проводят электричество.

Грэй сделал еще одно очень важное открытие, значение которого было понято позднее. Все знали, что если прикоснуться изолированным металлическим цилиндром к наэлектризованной стеклянной палочке, то на цилиндр также перейдет электричество. Однако оказалось, что можно наэлектризовать цилиндр и не касаясь стеклянной палочки, а только приблизив его к ней. Пока цилиндр будет находиться вблизи наэлектризованной палочки, на нем обнаруживается электричество.

Французский исследователь Шарль Дюфэ (1698—1739) изучал замеченное Грэем, но не объясненное им явление отталкивания одинаково наэлектризованных тел. Приблизив подвешенный на шелковой нити шарик бузины к наэлектризованному телу, он наблюдал, что шарик сначала притягивался к наэлектризованному телу, а затем отталкивался от него. Дюфэ заметил, что в одних случаях наэлектризованные тела взаимно притягиваются, а в других — отталкиваются. Например, натертая стеклянная палочка отталкивается от другой такой же палочки, но притягивается к наэлектризованному стерженьку из смолы. Дюфэ объяснил это явление тем, что существует два рода электричества — «стеклянное» и «смоляное». Тела, заряженные электричеством одного рода, взаимно отталкиваются, а при разноименных зарядах — притягиваются.

Очень удачное обозначение двух родов электричества, удержавшееся до нашего времени, дал известный американский физик Вениамин Франклин.

«Стеклянное» электричество было названо Франклином положительным, а «смоляное» - отрицательным. Эти названия он выбрал потому, что «стеклянное» и «смоляное» электричества, подобно положительной и отрицательной величинам, взаимно уничтожаются.

Далее появились первые приборы для обнаружения электричества и измерения силы, действующей между электрическими зарядами. Такие приборы различной конструкции были предложены многими физиками.

Англичанин Джон Кантон (1718—1772) устроил электроскоп с двумя маятниками из бузины, подвешенными на конце металлического стержня. При заряжении их одноименным электричеством маятники расходятся. Позднее Абрагам Беннет (1750—1799) заменил маятники из бузины двумя золотыми листочками. По углу расхождения листочков можно было судить о величине заряда. Это уже был измерительный прибор — электрометр.

( Ф.Д.Бублейников, И.Н. Веселовский Физика и опыт. М., Просвещение, 1970, с.149-150)

§50 Поле внутри проводников

В проводниках есть заряды, которые могут перемещаться внутри вещества. Это приводит к тому что электрическое поле внутри проводника отличается от поля вне его. Дело в том, что если поле создается не одним, а несколькими зарядами, то в каждой точке напряженность поля определяется, как сумма напряженностей полей от каждого заряда.

E = E₁+E₂+….

Необходимо помнить, что напряженность величина векторная, и сумма напряженностей находится по правилу сложения векторов. Например, напряженность поля в точке А, находящейся

посередине отрезка, соединяющего два равных заряда, равна нулю. Если одинаковые по модулю заряды разного знака, то напряженность поля в этой точке в два раза больше, чем от одного заряда.

Представим теперь, что внутри проводника создали электрическое поле.

Под действием этого поля заряженные частицы начнут перемещаться вдоль силовых линий, но покинуть проводник они не могут. В результате ,на правой поверхности проводника появится положительный заряд, а на левой отрицательный. Эти заряды создадут свое поле, противоположно направленное. В результате напряженность поля внутри проводника уменьшится, но заряженные частицы будут продолжать движение до тех пор, пока поле, создаваемое переместившимися зарядами проводника, не скомпенсирует внешнее поле.

Как только напряженность внутри проводника станет равной нулю, направленное движение заряженных частиц прекратится. Если внешнее поле исчезнет, то внутреннее поле заставит заряды двигаться так, чтобы избыточные заряды на границах проводника исчезли. Все эти процессы происходят очень быстро, поэтому при электризации тел мы всегда можем считать, что внутри проводника поле равно нулю.

Электрическое поле на противоположные концы проводника действует с силами, направленными в разные стороны.

В сильных полях эти силы вызывают удлинение проводника. Изменение формы тела под действием электрического поля называется электрострикцией. На рисунке для наглядности удлинение проводника преувеличено.

А может ли внешнее поле быть таким сильным, что свободных зарядов внутри проводника не хватит, чтобы уменьшить его напряженность до нуля? – Нет, такое поле разрушит проводник. Например, в 1 г меди содержится приблизительно 10²² атомов, в каждом атоме по 29 электронов. Если из каждого атома двух кусочков меди по 1 г взять по одному электрону, то на расстоянии в 1 км эти кусочки будут отталкиваться с такой силой (27^.10⁹ Н), что она могла бы поднять вверх более 300 груженых товарных поездов.

В каждой точке напряженность поля определяется, как сумма напряженностей полей от каждого заряда.

E = E₁+E₂+….

Как только напряженность внутри проводника станет равной нулю, направленное движение заряженных частиц прекратится.

При электризации тел мы всегда можем считать, что внутри проводника поле равно нулю.

Изменение формы тела под действием электрического поля называется электрострикцией.

Упражнение §50

1. 
   Для демонстрации свойств электрических взаимодействий Фарадей использовал специальную клетку, оклеенную фольгой. Какое свойство проводников он демонстрировал?
   
2. 
   Нарисуйте силовые линии электрического поля, в котором находится металлический шар.
   
3. 
   При натирании о шелк стеклянная палочка электризуется. Есть ли внутри нее электрическое поле?
   

Задание

Положите на стол круглую ручку. Почему она не перемещается? Нарисуйте силы, действующие на ручку. Надавите на ручку сверху вниз. Будет она перемещаться? Измените направление действия силы и толкайте ручку под острым углом к горизонту. Почему ручка пришла в движение? На заряд, находящийся на поверхности проводника в электрическом поле действует сила Кулона. В постоянном электрическом поле силовые линии всегда перпендикулярны поверхности проводника. Если бы силовые линии не были перпендикулярны поверхности проводника, то что происходило бы со свободными зарядами? К каким изменениям поля это могло бы привести? Зарисуйте результаты мысленного эксперимента, который вы можете провести для ответа на поставленные вопросы.

§51 ^***Связь напряженности электрического поля и разности потенциалов.

В опыте с электроскопом вы наблюдали за поведением листочков фольги. Они расходились при увеличении заряда, передаваемого электроскопу. При этом потенциальная энергия листочков увеличивалась. Увеличение потенциальной энергии листочков равно работе, совершаемой электрическим полем при перемещении зарядов. Эта работа равна произведению величины заряда на разность потенциалов между начальной и конечной точками, в которых находился заряд. A = q

Силовой характеристикой поля является напряженность. Чем больше напряженность поля, тем с большей силой оно действует на заряд F=qE.

Между напряженностью поля и разностью потенциалов существует зависимость, которую нам предстоит установить. Мы будем рассматривать заряд, находящийся в электрическом поле, напряженность которого не меняется от точки к точке. Поле, в котором в любой точке напряженность одинакова по модулю и направлению, называется однородным.

Математически это записывается так E= const

На заряд в таком поле будет действовать постоянная сила, равная F=qE. При перемещении заряда на расстояние d, поле совершит работу, равную

A= Fd=qEd. С другой стороны работа равна A = q.

Приравнивая правые части, получим

Q^.. = q^.E^.d и, сокращая на q, получим

 =E^.d, Е =

d - это расстояние между точками поля.

Из этой формулы понятно, почему обычно единицу напряженности называют , а не . Напоминаем, что разность потенциалов измеряется в вольтах

[В] = . Надеемся, что вы самостоятельно можете доказать, что

Обращаем ваше внимание, что заряд в рассмотренном примере перемещается в направлении действия силы, а сила действует вдоль силовых линий.

Однородное поле можно создать между двумя разноименно заряженными пластинами, расположенными на небольшом расстоянии друг от друга.

Такое устройство называется конденсатором. Разность потенциалов между пластинами конденсатора равна  =E^.d. Если увеличивать расстояние между пластинами d, не меняя величины заряда, разность потенциалов  между ними будет увеличиваться.

При увеличении модуля зарядов на пластинах конденсаторов напряженность поля внутри него увеличивается,

что также приводит к увеличению разности потенциалов, т.е. разность потенциалов между пластинами конденсатора зависит от модуля заряда, площади пластин, их формы и взаимного расположения. Форма, площадь и расположение пластин определяют электрическую емкость.

Электроемкость показывает, какой по модулю заряд будет на каждой из пластин конденсатора при разности потенциалов между ними 1 В.

Свойство конденсатора названо емкостью по аналогии с сосудом: чем больше емкость, тем больший заряд может поместиться на пластинах при той же разности потенциалов.

Чтобы определить заряд на пластине конденсатора, нужно разность потенциалов умножить на электрическую емкость. Если электроемкость обозначить буквой С, то получим формулу Q= C^..

Емкость измеряется в фарадах (1 Ф). Единица емкости фарад назван в честь английского ученого Майкла Фарадея.

Один фарад - это емкость такого конденсатора, на каждой из пластин которого может удерживаться заряд в 1 Кл при разности потенциалов в 1 В.

Конденсаторы широко применяются в электротехнике и электронике. Конструктивно они могут быть выполнены самым различным образом.

Но всегда это два или более проводников, разделенных диэлектриком.

Поле, в котором в любой точке напряженность одинакова по модулю и направлению, называется однородным.

Однородное поле можно создать между двумя разноименно заряженными пластинами, расположенными на небольшом расстоянии друг от друга. Е =

Разность потенциалов между пластинами конденсатора зависит от модуля заряда, величины пластин, их формы и взаимного расположения.

Электроемкость показывает, какой по модулю заряд буде на каждой из пластин конденсатора при разности потенциалов между ними 1 В.

Емкость измеряется в фарадах (Ф).

Один фарад - это емкость такого конденсатора, на каждой из пластин которого может удерживаться заряд в 1 Кл при разности потенциалов 1 В.

Упражнение §51.

1. 
   Разность потенциалов между пластинами конденсатора равна 12 В. Какова напряженность поля внутри конденсатора, если расстояние между пластинами 0,01 мм?
   

2. 
   Максимальная напряженность поля, которая еще не разрушает конденсатор Е_пр= 10⁸ В/м. Какая максимальная разность потенциалов может быть между пластинами конденсатора, если расстояние между ними 30 мкм?
   
3. 
   Электрон, пройдя в электрическом поле 20 см, приобрел кинетическую энергию 160 *10^-19 Дж. Какова разность потенциалов между начальной и конечной точками движения электрона ? Заряд электрона q= -1,6 *10^-19 Кл.
   
4. 
   Что происходит с емкостью конденсатора, при увеличении расстояния между пластинами?
   
5. 
   На пластинах конденсатора разноименные заряды, поэтому они притягиваются. Что происходит с энергией электрического поля внутри конденсатора, если пластины раздвигать? Поясните ответ, используя закон сохранения энергии.
   

Задания

1. 
   Пройдитесь, шаркая ногами, обутыми в обувь с пластиковой подошвой, по ковру или ковровому покрытию по направлению к батарее центрального отопления или водопроводной трубе. Не доходя до батареи несколько шагов, прекратите шаркать ногами. Сделайте последние шаги, высоко поднимая ноги. Стоя на одной ноге, медленно приблизьте палец к батарее. Если воздух в комнате сухой, то вы почувствуете, что между пальцем и батареей проскочила искра. А если вы это задание сможете выполнить в темноте, то вы увидите искру. Напряженность электрического поля, находящегося между пальцем и батареей в момент появления искры, достигает 3200000В/м 2. Возьмите несколько листов полиэтилена или лавсана (подойдут пакеты из неокрашенного полиэтилена). Положите их друг на друга, и энергично протрите сверху, не касаясь рукой, комком газеты или одежной щеткой. Поднимайте листочки один за другим. Опишите наблюдаемое явление.
   

*** Для интересующихся

По мере того как опыты по электричеству становились разнообразнее, требовались все более мощные источники электричества. Одна из первых машин после Герике была построена французским физиком Жаном Нолле. В этой машине электричество возникало от трения о ладони стеклянного шара, приводившегося во вращение круговым ремнем от колеса. Заряды с шара переходили по проводнику на кондуктор, который был подвешен на шелковых нитях.

Вскоре физики усовершенствовали машину Нолле. Они стали натирать стеклянный шар не ладонями, а кожаными подушками, набитыми конским волосом и покрытыми амальгамой (раствор олова в ртути). Такая машина давала довольно большие электрические искры.

§52.Применение электризации и борьба с ней.

Электризация наблюдается в быту и при любом технологическом процессе, где происходит взаимодействие движущихся тел, например, при обработке на прессе пластин из полистирола: в одних местах пластина заряжается положительно, в других - отрицательно. Чем больше скорость технологического процесса, тем значительнее электризация. Накопление зарядов происходит до тех пор, пока не произойдет искровой разряд.

На клеепромазочной машине, которая смазывает резиновым клеем тканевые материалы, в результате трения материала о вал происходит их электризация. Если не снять эти заряды,, то даже небольшая искра может вызвать пожар, так как окружающий воздух насыщен парами бензина. Причиной взрыва может стать человек, так как при контакте с заряженной тканью электризуется и тело оператора.

При движении жидкости в трубах также происходит ее электризация.

Взаимодействие наэлектризованных тел затрудняет выполнение многих технологических операций. Например, электризация волокон вызывает их взаимное отталкивание, что мешает работе ткацких станков, Заряженную ткань трудно раскрашивать. Кроме того, такая ткань, сильно загрязняется вследствие притяжения к ней частичек пыли.

Однако статическое электричество может приносить человеку и пользу.

При окраске деталей, например, корпуса автомобиля, корпус заряжают положительно, частицы краски - отрицательно. Частицы краски устремляются к корпусу автомобиля и, плотно ложатся на него. Этот метод окраски широко применяется, так как дает равномерное окрашивание и экономию краски.

Копчение - это покрытие продуктов древесным дымом, частицы которого придают продуктам приятный вкус и предохраняют их от порчи. При электрокопчении частицы дыма заряжаются положительно, а продукты( например, мясо, рыба) - отрицательно. Заряженные частицы дыма направляются к продукту и оседают на нем.

Чистый воздух нужен не только людям, но и особо точным производствам. Все машины из-за пыли преждевременно изнашиваются, а каналы их воздушного охлаждения засоряются. Кроме того, часто пыль, улетающая с отходящими газами, представляет собой ценное сырье. Для очистки промышленных газов используется электрофильтр.

175. .

В центре металлической трубы устанавливается проволока. Труба заряжается положительным зарядом, проволока - отрицательным. Частички пыли электризуются при движении. Отрицательно заряженные пылинки оседают на стенках электрофильтра (трубе), положительно заряженные - на проволоке. Незаряженные частицы также оседают на проволоке, так как в неоднородном поле частица без заряда движется в направлении увеличения напряженности. Трубу время от времени встряхивают, и уловленные частицы поступают в бункер.

Электрофильтры на крупных тепловых электростанциях улавливают 99% золы, содержащейся в выхлопных газах.

<предыдущая страница | следующая страница>