Конспект урока: Электродинамика. Электростатика. Электрический заряд. Закон сохранения электрического заряда. Закон Кулона. Сложение электрических сил

Электрические заряды

Рис. 1. Явление электролизации

В природе имеется множество явлений, которые нельзя понять и объяснить только на основе использования понятий и законов механики, молекулярно-кинетической теории строения вещества и термодинамики. Достаточно обратить внимание на тот факт, что ни механика, ни молекулярно-кинетическая теория, ни термодинамика ничего не говорят о природе сил, которые связывают отдельные атомы и молекулы вещества в твёрдом состоянии на определённых расстояниях друг от друга. Законы взаимодействия атомов и молекул удаётся понять и объяснить на основе представления о том, что в природе существуют электрические заряды. Эти представления позволили составить новый раздел физики, называемый электродинамикой.

---

Электродинамика — раздел физики, который описывает электромагнитные явления: поведение заряжённых тел, электромагнитных полей и их взаимодействия.

---

Эффектный фокус, в котором натёртая ручка начинает притягивать к себе пылинки и кусочки бумаги, известен человечеству уже тысячу лет. В Древней Греции такой опыт ставили с янтарными палочками, и греческое название янтаря — 
«электрон» — дало название этому явлению — электризация. Рассмотрим простейший пример электризации тел при соприкосновении. Возьмём прямоугольный кусочек бумаги шириной 1 см, положим его на тетрадь, проведём по нему несколько раз пластмассовой ручкой с лёгким нажимом. Затем возьмём бумагу в одну руку, а ручку в другую, и будем их сближать. Бумажная полоска изгибается в сторону ручки, т. е. между ними возникают силы притяжения 
(см. рис. 1). Положим две бумажки рядом на тетрадь, проведём по ним ручкой несколько раз с лёгким нажимом. Взяв бумажки в руки, будем сближать их. Опыт показывает, что при сближении они отклоняются в противоположные стороны, обнаруживая существование сил отталкивания.

Взаимодействие тел, обнаруженное в этих опытах, называется электромагнитным. Физическая величина, определяющая электромагнитное взаимодействие, называется электрическим зарядом. Электрический заряд обозначается буквой $q$.

Эксперименты с электризацией показали, что тела можно зарядить двумя различными способами. При этом некоторые заряжённые тела притягивались друг к другу, а некоторые отталкивались друг от друга. Это привело к возникновению идеи о знаке заряда и к выводу о взаимодействии между заряжёнными телами. Между электрически заряжёнными телами возникает взаимодействие. Разноимённо заряжённые тела притягиваются, а одноимённо заряжённые — отталкиваются.

В системе СИ заряд измеряется в Кулонах: $\left[q\right]=Кл.$ Определение единицы заряда (Кулон) будет дано при изучении постоянного тока.

Электрометр

Для обнаружения и измерения электрических зарядов применяется электрометр, состоящий из металлического стержня и стрелки, которая может вращаться вокруг горизонтальной оси. Стержень со стрелкой закреплён в плексигласовой втулке и помещён в металлический корпус цилиндрической формы, закрытый стеклянными крышками.

Рис. 2. Электрометр

Натиранием о мех или бумагу сообщим электрический заряд эбонитовой палочке, а затем прикоснёмся к стержню электрометра. При соприкосновении заряжённого тела со стержнем электрометра электрические заряды распределяются по стержню и стрелке. Силы отталкивания, действующие между одноимёнными зарядами на стержне и стрелке, вызывают поворот стрелки (рис. 2). Наэлектризуем эбонитовую палочку ещё раз и вновь коснёмся ею стержня электрометра. Опыт показывает, что при увеличении электрического заряда на стержне угол отклонения стрелки от вертикального положения увеличивается. Следовательно, по углу отклонения стрелки электрометра можно судить о значении электрического заряда, переданного стержню электрометра.

Рис. 3. Электроскоп

Помимо электрометра, для обнаружения заряда используется электроскоп. В электроскопе металлический стержень с листочками пропущен через пластмассовую пробку, вставленную в металлический корпус. Корпус с обеих сторон закрыт стёклами. Если к незаряжённому электроскопу поднести, например, заряжённую эбонитовую палочку, то его лепестки разойдутся (рис. 3).

Закон сохранения электрического заряда

Установим на демонстрационном столе два одинаковых электрометра. Один из электрометров положительно зарядим. Соединим электрометры металлическим стержнем, в результате чего обе стрелки отклоняются в одну сторону. Это значит, что в результате электризации при соприкосновении электрические заряды появились и на втором электрометре (рис. 4). Аналогичные опыты, выполненные с различными телами и с применением самых точных приборов для измерения электрических зарядов, показали, что в результате электризации при соприкосновении на телах всегда возникают электрические заряды, равные по модулю и противоположные по знаку. Экспериментально установлено, что при электризации тел выполняется закон сохранения электрического заряда.

Рис. 4. Демонстрация закона сохранения заряда

Отсюда следует важный факт: нигде и никогда в природе не возникает и не исчезает электрический заряд одного знака. Появление положительного электрического заряда $+q$ всегда сопровождается появлением равного по абсолютному значению отрицательного электрического заряда $-q$. Ни положительный, ни отрицательный заряд не могут исчезнуть в отдельности один от другого, они могут лишь взаимно нейтрализовать друг друга, если равны по абсолютному значению.

Строение атома. Проводники и диэлектрики

Рис. 5. Модель атома лития

Чтобы объяснить явление электризации, необходимо принять во внимание, что все вещества состоят из атомов, а атомы, в свою очередь, состоят из тяжёлых положительно заряжённых ядер, около которых находятся отрицательно заряжённые электроны. Ядро атома состоит из протонов и нейтронов. Электрон и протон имеют равные по модулю, но противоположные по знаку заряды: электрон — отрицательный, а протон — положительный. Нейтроны не обладают зарядом. Вещество в обычном состоянии не имеет избыточного заряда, иными словами, полные заряды всех атомов вещества равны нулю. Таким образом, в нейтральном атоме количество протонов совпадёт с количеством электронов (см. рис. 5). 

 

В процессе трения (или облучения) электроны отрываются от ядер и переходят с одного тела на другое. Таким образом, на одном из тел накапливаются электроны и оно становится отрицательно заряжённым, а другое тело отдаёт электроны и поэтому становится положительно заряженным. При этом тела будут иметь равные по модулю, но противоположные по знаку, заряды. Атомы, потерявшие электроны, называют положительными ионами. Атом, присоединивший к себе электроны, называют отрицательным ионом.

 

Существуют вещества, атомы которых имеют удалённые и слабоудерживаемые ядрами электроны. Эти электроны, подобно молекулам в газе, могут свободно двигаться по всему объёму тела. Поэтому такие электроны называют свободными. Наличие свободных электронов свойственно для металлов. Иная картина наблюдается в электролитах — расплавах и растворах некоторых солей, щелочей и кислот. В этих веществах в результате распада молекул образуются положительные (потерявшие электроны) и отрицательные (приобретшие избыточные электроны) ионы. В зависимости от наличия свободных зарядов многие вещества подразделяются на две группы: проводники и диэлектрики.

К проводникам относятся металлы и электролиты. Примерами диэлектриков являются все газы, стекло, резина, многие смолы, большинство пластмасс, сухое дерево.

Существуют вещества, занимающие промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. Такие вещества называют полупроводниками. О них мы поговорим позже.

Решение
 

1. При соприкосновении заряд между шариками перераспределится равномерно, при этом в соответствии с законом сохранения заряда, полный заряд системы не изменится.

2. Найдём заряд каждого шарика:

 

$q_1+q_2+q_3=7-8+13=12 \mathrm{нКл}$;

 

$q_1^{\text{'}}=q_2^{\text{'}}=q_3^{\text{'}}=\frac{q_1+q_2+q_3}{3}=\frac{12}{3}=4 \mathrm{нКл}$.

 

Ответ: $q_1^{\text{'}}=q_2^{\text{'}}=q_3^{\text{'}}=4 \mathrm{нКл}$.