— один из фундаментальных законов природы. Закон сохранения заряда был открыт в 1747 г. Б. Франклином.

Электрон - частица, входящая в состав атома. В истории физики существовало несколько моделей строения атома. Одна из них, позволяющая объяснить ряд экспериментальных фактов, в том числе явление электризации , была предложена Э. Резерфордом . На основании проделанных опытов он сделал вывод о том, что в центре атома находится положительно заряженное ядро, вокруг которого по орбитам движутся отрицательно заряженные электроны. У нейтрального атома положительный заряд ядра равен суммарному отрицательному заряду электронов. Ядро атома состоит из положительно заряженных протонов и нейтральных частиц нейтронов. Заряд протона по модулю равен заряду электрона. Если из нейтрального атома удалены один или несколько электронов, то он становится положительно заряженным ионом; если к атому присоединяются электроны, то он становится отрицательно заряженным ионом.

Знания о строении атома позволяют объяснить явление электризации трением . Электроны, слабо связанные с ядром, могут отделиться от одного атома и присоединиться к другому. Это объясняет, почему на одном теле может образоваться недостаток электронов , а на другом - их избыток . В этом случае первое тело становится заряженным положительно , а второе - отрицательно .

При электризации происходит перераспределение заряда , электризуются оба тела, приобретая равные по модулю заряды противоположных знаков. При этом алгебраическая сумма электрических зарядов до и после электризации остаётся постоянной:

q 1 + q 2 + … + q n = const.

Алгебраическая сумма зарядов пластин до и после электризации равна нулю. Записанное равенство выражает фундаментальный закон природы - закон сохранения электрического заряда .

Как и любой физический закон, он имеет определённые границы применимости: он справедлив для замкнутой системы тел , т.е. для совокупности тел, изолированных от других объектов.

"Если я хочу в каком-либо теле увеличить количество электрической материи, я должен

неизбежно взять ее вне него и, следовательно, умень­шить ее в каком-либо другом теле".

Эпинус

III. Вопросы:

1. Почему зимой электризация тел значительнее, чем летом?

2. Почему повышение среднемесячной температуры воздуха в тропиках, например всего на 2 0 С (с 25 до 27°С), приводит к росту грозовой активности в 100 раз?

3. Если бы электрон был нестабильной частицей, то сохранялся бы элек­трический заряд или нет?

4. Почему при переливании бензина из одной цистерны в другую он может воспламениться, если не принять специальных мер предосторожности?

5. Какими способами можно предотвратить возгорание горючего при его переливании из одной емкости в другую? (Повышение электропроводности бензина, фильтры из разных материалов, металлизация шланга, повышение влажности воздуха, заземление.)

Задачи:

1. Эбонитовая палочка получила заряд –1,6· 10 –6 Кл. Определите число избыточных электронов на ней.

2. В результате трения с поверхности стеклянной палочки было удалено 6,4∙10 12 электронов. Определить электрический заряд на палочке. На сколько килограмм уменьшилась масса палочки?

ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ИНФОРМАЦИЯ: Эффект электризации наблюдается у водопадов, в пещерах и на берегу моря. Вблизи водопадов в воздухе отношение концентрации отрицательных ионов к концентрации положительных достигает 6, у берега моря 1/2. Почему?

IV. § 31-34 Упр. 7 № 1.

1. Изготовить набор по электризации.

2. Подготовить пятиминутное сообщение о жизни и научной деятельности Б.Франклина.

3. Если некоторый объем води замораживать с одной стороны, то на гра­нице "лед - вода" возникает напряжение. Измерьте его и объясните явление.

4. Составить обобщающую таблицу "Электризация тел", используя рисунки, чертежи и текстовый материал.

"Отталкивательное, так же как и притягательное дейст­вие двух наэлектризованных шаров, а, следовательно, и двух электрических молекул, прямо пропорционально плотности электрического флюида обеих электрических молекул и обратно пропорционально квадрату расстояния между ними"

Ш. Кулон

Урок 2. ЗАКОН КУЛОНА

Цель урока: Выяснить характер зависимости кулоновской силы от величины зарядов и ра стояния между ними.

Тип урока: комбинированный.

Оборудование: модель "крутильные весы", весы чувствительные с принадлежностями, выпрямитель высоковольтный, обобщающая таблица "Закон Кулона".

План урока:

2. Опрос 10 мин

3. Объяснение 20 мин

4. Закрепление 10 мин

5. Задание на дом 2-3 мин

II. Опрос фундаментальный:

1. Электрический заряд.

2. Электризация тел.

3. Закон сохранения электрического заряда.

Задачи:

1. Два металлических шарика с одноименными, но разными по величине зарядами привели в соприкосновение. При этом заряд одного из них увеличился на 60%, а заряд другого уменьшился на 40%. Найти отношение начальных зарядов шаров.

2. Какой электрический заряд приобрел бы железный шарик радиуса 1 см, если у каждого атома железа удалить по одному электрону?

Вопросы:

1. Можно ли на концах стеклянной палочки получить два одновременно существующих разноименных заряда?

2. Если резиновой трубкой (шлангом) ударить по столу, то она элек­тризуется. Почему?

3. Предложите как можно больше способов, позволяющих очистить одежду от пыли.

4. Зачем бензовозам нужна толстая цепь, которая соединяет их корпус с землей?

5. Почему электризуются капли воды при её дроблении (водопады, душ)?

III. Основной закон электростатики – закон взаимодействия двух неподвижных точечных заряженных тел в вакууме. Понятие точечного заряда. Устройство крутильных весов (демонстрация модели). Опыты Кулона. Закон Кулона (1785 г).

"Сегодня я предъявляю Академии электрические весы. Они измеряют с наивысшей точностью электрическое состояние и электрическую силу тела, как бы мала не была степень его электризации". Шарль Кулон

ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ИНФОРМАЦИЯ: Момент М упругих сил, возникающих при закручивании нити, прямо пропорционален углу закручивания нити , и связаны эти величины формулой: , где - длина нити, - ее диаметр, С – коэффициент, зависящий от свойств нити.

Два точечных заряда взаимодействуют друг с другом в вакууме с силой F, величина которой пропорциональна произведению зарядов q 1 и q 2 и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.

Экспериментальная проверка закона Кулона (демонстрация с чувствительными весами). Центральный характер кулоновских сил.

Единица электрического заряда в СИ (повторение). Если бы нам удалось два точечных заряда по 1 Кл поместить на расстояние 1 м друг от друга, то электрическая сила оказалась бы равной 9∙10 9 Н.

Этот факт, несмотря на огромную величину силы, дает нам возможность определить коэффициент пропорциональности в формуле закона Кулона: k = 9·10 9 Н·м 2 /Кл 2 .

Формула закона Кулона в СИ:

Экспериментальная проверка формулы закона Кулона: измерение кулонометром электрического заряда шариков и выяснение зависимости кулоновской силы от величины заряда шариков и расстояния между ними.

Обобщающее повторение по таблице "Закон Кулона".

IV. Задачи:

1. С какой силой взаимодействуют два заряда по 10 нКл, находящиеся на расстоянии 3 см друг от друга?

2. На каком расстоянии друг от друга электрические заряды 1 мкКл и 10 нКл взаимодействуют с силой 9 мН?

3. Какую массу должен был бы иметь протон для того, чтобы сила электростатического отталкивания двух протонов уравновешивалась силой их гравитационного притяжения?

4. На каком расстоянии сила электростатического отталкивания двух протонов уравновешивается силой их гравитационного притяжения (зада­ча-провокация)?

V. § 35-36. Упр. 7, № 2, 3

1. Подготовить пятиминутное сообщение о жизни и научной деятельности Ш.Кулона.

"Среди всех людей науки, принесших славу Франции, трудно было бы указать одного человека, кто с точки зрения развития земной физики мог бы хоть как-то сравниться с Кулоном".

Т.Юнг

Исследовательская работа:

Зная расстояние между центрами соседних ионов в кристалле поваренной соли, вычислите силу, необходимую для разрыва всех связей в сечении образца площадью 1 м 2 (теоретический предел прочности материала). Почему же экспериментальное значение предела прочности в 1000 раз меньше теоретического?

s экс = 4,5·10 6 Па s теор = 10 9 Па

"Мы должны знать - мы будем знать".

Гильберт

Урок 3. РЕШЕНИЕ ЗАДАЧ

Цель урока: Научить учащихся применять закон Кулона при решении конкретных физических задач.

Тип урока: решение задач.

Оборудование: микрокалькулятор, обобщающая таблица "Закон Кулона".

План урока:

1. Вступительная часть 1-2 мин

2. Опрос 10 мин

3. Решение задач 30 мин

4. Задание на дом 2-3 мин

II. Опрос фундаментальный:

1. Закон Кулона.

Задачи:

1. Заряды 10 и 16 нКл расположены на расстоянии 7 мм друг от друга. Какая сила будет действовать на заряд 2 нКл. помещенный в точку, удаленную на 3 мм от меньшего заряда и 4 мм от большего?

2. Два одинаковых металлических шарика заряжены так, что заряд одного из них в 5 раз больше заряда другого. Шарики привели в соприкосновение и раздвинули на прежнее расстояние. Во сколько раз изменилась по модулю кулоновская сила, если шарики были заряжены одноименно, разноименно?

3. На нить одели три бусинки и замкнули ее в петлю. Одна бусинка имеет заряд q , а остальные 3q . Бусинки могут скользить по нити без трения. В состоянии равновесия нить образует треугольник. Найти угол при основании треугольника.

Вопросы:

1. Как изменится период колебаний математического маятника, если в точку подвеса и на груз поместить одноименные заряды?

2. Укажите границы применимости закона Кулона.

3. Как изменится сила электростатического взаимодействия между двумя точечными зарядами, если расстояние между ними уменьшить в 3 раза и один из зарядов увеличить в 3 раза?

4. С какой силой действуют два одноименных и равных заряда на третий заряд, помещенный посредине между ними?

6. Почему в окружающем нас мире объекты, как правило, нейтральны?

7. Какие опыты свидетельствуют о том, что существует два вида электрических зарядов?

8. Положительно заряженную частицу подносят близко к одноименно заряженному закрепленному точечному заряду. Как зависит ускорение частицы от расстояния между зарядами?

III. Задачи:

1. С какой силой взаимодействовали бы две одинаковые капли воды на расстоянии 1 км, если бы удалось передать одной из капель 1% всех электронов, содержащихся в другой капле массой 0,3 г?

2. Два точечных заряда находятся на фиксированном расстоянии друг от друга, а их суммарный заряд равен q . Чему должен быть равен каждый заряд, чтобы действующая между ними сила была максимальна? (Задачу решить самому двумя способами: определение вершины параболы, обращение в нуль производной от функции в точке экстремума).

3. Изолированная система из двух заряженных материальных точек, расположенных на расстоянии L друг от друга, вращается по окружности относительно оси, проходящей через её центр. Массы материальных точек одинаковы и равны m, их заряды q и –q. Чему равна угловая скорость их вращения, если взаимодействие материальных точек только электростатическое?

4. Три одинаковых заряженных шарика массами m и зарядом q связаны в треугольник нитями длиной L и лежат на гладком столе. Одну из нитей пережигают. Рассчитайте ускорение шариков в начальный момент.

5. По тонкому кольцу радиуса R равномерно распределен малый заряд Q . Кольцо расположено горизонтально в вакууме, а в его центр помещен одноименный точечный заряд q . Найдите силу натяжения, возникающую в кольце.

IV. Упр. 7, № 4-6.

"Поэтому должна быть нечувствительная материя вне

электризованного тела, которая и производит эти действия…"

М.В.Ломоносов

Урок 4. ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ.

Cтраница 1

Закон сохранения электрического заряда: полный заряд замкнутой системы, т.е. алгебраическая сумма зарядов всех тел, постоянен. Это утверждение очевидно, если в системе не происходит превращений элементарных частиц. Но закон сохранения заряда имеет более фундаментальный характер - он выполняется в любых процессах рождения и уничтожения элементарных частиц.  

Закон сохранения электрического заряда звучит следующим образом: в изолированной системе алгебраическая сумма электрических зарядов остается постоянной. Заряды могут только передаваться от одного тела данной системы другому или передвигаться внутри одного тела. Это значит, что изменение суммарного заряда электрически изолированной системы можно осуществить только путем внесения зарядов извне или перенесения их за пределы системы.  

Закон сохранения электрического заряда: в изолированной системе полная алгебраическая сумма электрических зарядов остается постояннэй; заряды могут только передаваться от одного тела другому или смещаться внутри тела.  

Закон сохранения электрических зарядов: алгебраическая сумма электрических зарядов в изолированной системе сохраняется постоянной. Закон сохранения барионного заряда говорит о том, что для ба-рионов (например, нейтронов, протонов) в любой реакции число барио-нов в начале и в конце процесса оказывается одинаковым.  

Закон сохранения электрического заряда: в замкнутой (электрически изолированной) системе алгебраическая сумма зарядов всех частиц остается неизменной.  

Закон сохранения электрических зарядов: алгебраическая сумма электрических зарядов в изолированной системе сохраняется постоянной. Следовательно, в нейтральном (незаряженном) теле содержатся заряды противоположных знаков, равные по абсолютной величине.  

Закон сохранения электрического заряда утверждает, что электрический заряд изолированной системы остается постоянным при любых физических процессах, происходящих в системе. Так как электрические заряды бывают двух знаков, положительные и отрицательные, закон сохранения электрического заряда не утверждает, что невозможно возникновение или исчезновение электрических зарядов в замкнутой системе. Положительные и отрицательные заряды в замкнутой системе могут возникать или исчезать, но всегда так, чтобы их алгебраическая сумма оставалась постоянной.  

По закону сохранения электрического заряда сумма нижних индексов после реакции должна равняться их сумме до реакции. Также сумма массовых чисел, т, е, верхних индексов, после реакции должна равняться их сумме до реакции.  

По закону сохранения электрического заряда сумма нижних индексов после реакции должна равняться их сумме до реакции.  

Так выражается закон сохранения электрического заряда в дифференциальной форме.  

В обычных условиях микроскопические тела являются электрически нейтральными, потому что положительно и отрицательно заряженные частицы, которые образуют атомы, связаны друг с другом электрическими силами и образуют нейтральные системы. Если электрическая нейтральность тела нарушена, то такое тело называется наэлектризованное тело . Для электризации тела необходимо, чтобы на нём был создан избыток или недостаток электронов или ионов одного знака.

Способы электризации тел , которые представляют собой взаимодействие заряженных тел, могут быть следующими:

1. Электризация тел при соприкосновении . В этом случае при тесном контакте небольшая часть электронов переходит с одного вещества, у которого связь с электроном относительно слаба, на другое вещество.
2. Электризация тел при трении . При этом увеличивается площадь соприкосновения тел, что приводит к усилению электризации.
3. Влияние . В основе влияния лежит явление электростатической индукции , то есть наведение электрического заряда в веществе, помещённом в постоянное электрическое поле.
4. Электризация тел под действием света . В основе этого лежит фотоэлектрический эффект , или фотоэффект , когда под действием света из проводника могут вылетать электроны в окружающее пространство, в результате чего проводник заряжается.

Многочисленные опыты показывают, что когда имеет место электризация тела , то на телах возникают электрические заряды, равные по модулю и противоположные по знаку.

Отрицательный заряд тела обусловлен избытком электронов на теле по сравнению с протонами, а положительный заряд обусловлен недостатком электронов.

Когда происходит электризация тела, то есть когда отрицательный заряд частично отделяется от связанного с ним положительного заряда, выполняется закон сохранения электрического заряда . Закон сохранения заряда справедлив для замкнутой системы, в которую не входят извне и из которой не выходят наружу заряженные частицы. Закон сохранения электрического заряда формулируется следующим образом:

В замкнутой системе алгебраическая сумма зарядов всех частиц остаётся неизменной:

q 1 + q 2 + q 3 + … + q n = const

где q 1 , q 2 и т.д. – заряды частиц.

Взаимодействие электрически заряженных тел

Взаимодействие тел , имеющих заряды одинакового или разного знака, можно продемонстрировать на следующих опытах. Наэлектризуем эбонитовую палочку трением о мех и прикоснёмся ею к металлической гильзе, подвешенной на шёлковой нити. На гильзе и эбонитовой палочке распределяются заряды одного знака (отрицательные заряды). Приближая заряженную отрицательно эбонитовую палочку к заряженной гильзе, можно увидеть, что гильза будет отталкиваться от палочки (рис. 1.2).

Рис. 1.2. Взаимодействие тел с зарядами одного знака.

Если теперь поднести к заряженной гильзе стеклянную палочку, потёртую о шёлк (положительно заряженную), то гильза будет к ней притягиваться (рис. 1.3).

Рис. 1.3. Взаимодействие тел с зарядами разных знаков.

Отсюда следует, что тела, имеющие заряды одинакового знака (одноимённо заряженные тела), взаимно отталкиваются, а тела, имеющие заряды разного знака (разноименно заряженные тела), взаимно притягиваются. Аналогичные вводы получаются, если приближать два султана, одноименно заряженные (рис. 1.4) и разноименно заряженные (рис. 1.5).

Электрический заряд – это способность тел быть источником электромагнитных полей. Так выглядит энциклопедическое определение важной электротехнической величины. Основными законами, связанными с ним, являются Закон Кулона и сохранения заряда. В этой статье мы рассмотрим закон сохранения электрического заряда, постараемся простыми словами дать определение и предоставить все необходимые формулы.

Понятие « » впервые введено в 1875 году в этом. Формулировка утверждает, что сила, которая действует между двумя заряженными частицами направленная по прямой прямо пропорциональна заряду и обратно пропорциональная квадрату расстояния между ними.

Это значит, что, отдалив заряды в 2 раза, сила их взаимодействия уменьшится в четыре раза. А вот так это выглядит в векторном виде:

Граница применимости вышесказанного:

• точечные заряды;
• равномерно заряженные тела;
• его действие справедливо на больших и малых расстояниях.

Заслуги Шарля Кулона в развитии современной электротехники велики, но перейдём к основной теме статьи – закону сохранения заряда. Он утверждает, что сумма всех заряженных частиц в замкнутой системе неизменна. Простыми словами заряды не могут возникнуть или исчезнуть просто так. При этом во времени он не изменяется и его можно измерить (или разделить, квантовать) частями, кратными элементарному электрическому заряду, то есть электрону.

Но помните, что в изолированной системе новые заряженные частицы возникают только под воздействием определенных сил или в результате каких-либо процессов. Так ионы возникают в результате ионизации газов, например.

Если вас заботит вопрос, кем и когда открыт закон сохранения заряда? Он был подтвержден в 1843 году великим учёным — Майклом Фарадеем. В опытах, подтверждающих закон сохранения, количество зарядов измеряется электрометрами, его внешний вид изображен на рисунке ниже:

Но подтвердим свои слова практикой. Возьмем два электрометра, на стержень одного кладем металлический диск, накрываем его сукном. Теперь нам нужен еще один металлический диск на диэлектрической ручке. Его трём о диск, лежащий на электрометре, и они электризуются. Когда диск с диэлектрической ручкой уберут – электрометр покажет насколько заряженным он стал, диском с диэлектрической ручкой касаемся второго электрометра. Его стрелка также отклонится. Если теперь замкнуть два электрометра стержнем на диэлектрические рукоятки – их стрелки вернуться в исходное положение. Это говорит о том, что общий или результирующий электрический заряд равен нулю, и его величина в системе осталась прежней.

Отсюда следует формула, описывающая закон сохранения электрического заряда:

Следующая формула говорит о том, что изменение электрического заряда в объеме равносильно полному току через поверхность. Это также называется «уравнение непрерывности».

А если перейти к очень малому объему получится закон сохранения заряда в дифференциальной форме.

Важно также рассказать, как связаны заряд и массовое число. При разговоре о строении веществ часто звучат такие слова как молекулы, атомы, протоны и подобное. Так вот массовым числом называется общее количество протонов и нейтронов, а число протонов и электронов в ядре называют зарядовым числом. Другими словами, зарядовым числом называют заряд ядра, и он всегда зависит от его состава. Ну а масса элемента зависит от числа его частиц.

Таким образом мы кратко рассмотрели вопросы, связанные с законом сохранения электрического заряда. Он является одним из фундаментальных законов физики наряду с законами сохранения импульса и энергии. Его действие безупречно и с течением времени и развитием техники не удаётся опровергнуть его справедливость. Надеемся, после прочтения нашего объяснения вам стали понятны все ключевые моменты этого закона!

Материалы