Какой закон выполняется при электризации тел

закон сохранения электрического заряда

Это закон, согласно которому алгебраическая сумма электрических зарядов всех частиц изолированной системы не меняется при всех происходящих в системе процессах. Закон сохранения заряда установлен в 18 в. (экспериментально доказан Фарадеем) и является одним из самых фундаментальных законов природы: не известно ни одного случая его нарушения.
Заряд любого макроскопически заряженного тела кратен элементарному электрическому заряду, равному по величине заряду электрона. Поэтому в тех физических явлениях, в которых не происходит взаимопревращений частиц, закон сохранения заряда можно рассматривать как следствие сохранения числа частиц. При электризации макроскопических тел число заряженных частиц не меняется, а происходит лишь их перераспределение в пространстве. Так, если тела заряжаются в результате трения (электризация трением) , заряженные частицы переносятся с одного тела на другое (заряд, который приобретает одно тело, теряет другое) ; таким образом, оба тела, первоначально электрически нейтральные, заряжаются равными, но противоположными зарядами.
Экспериментальная проверка закона сохранения заряда в физике элементарных частиц основывается на проверке стабильности электрона и нулевой массы покоя фотона. На микроскопическом уровне это также прослеживается по ядерным реакциям. Частицы с электрическим зарядом могут рождаться или исчезать, но при этом исчезают или рождаются частицы с равным по величине, но обратным по знаку зарядом. Рождение новой заряженной частицы возможно лишь либо при одновременном исчезновении «старой» частицы с таким же зарядом, либо в паре с другой частицей, имеющей заряд противоположного знака (напр. , в процессе рождения пар частица-античастица) . Напр. , в случае реакции аннигиляции электрона «е-» с отрицательным зарядом и позитрона «е+» с положительным зарядом образуются два нейтральных фотона. При этом суммарный заряд до и после реакции равен нулю.
Строгое равенство по абсолютной величине зарядов электрона и протона также служит подтверждением закона сохранения заряда.

Остальные ответы

Зако́н сохране́ния электри́ческого заря́да гласит, что алгебраическая сумма зарядов электрически замкнутой системы сохраняется.

q_1+q_2+q_3+. + q_n = const

Закон сохранения заряда выполняется абсолютно точно. На данный момент его происхождение объясняют следствием принципа калибровочной инвариантности [1][2]. Требование релятивистской инвариантности приводит к тому, что закон сохранения заряда имеет локальный характер: изменение заряда в любом наперёд заданном объёме равно потоку заряда через его границу. В изначальной формулировке был бы возможен следующий процесс: заряд исчезает в одной точке пространства и мгновенно возникает в другой. Однако такой процесс был бы релятивистски неинвариантен: из-за относительности одновременности в некоторых системах отсчёта заряд появился бы в новом месте до того, как исчез в предыдущем, а в некоторых — заряд появился бы в новом месте спустя некоторое время после исчезновения в предыдущем. То есть был бы отрезок времени, в течение которого заряд не сохраняется. Требование локальности позволяет записать закон сохранения заряда в дифференциальной и интегральной форме.

Урок по теме «Электризация тел. Закон сохранения электрического заряда. Закон Кулона»

Назад Вперёд

1 слайд.

Тема урока: «Электризация тел. Закон сохранения электрического заряда. Закон Кулона»

Сегодня на уроке нам предстоит узнать:

1. Что называют электрическим зарядом и какими свойствами он обладает.
2. Повторить основные сведения об электризации тел.
3. Познакомиться с основным законом электростатики — законом Кулона.

2 слайд

За 600 лет до нашей эры древнегреческие ученые знали, что натертый о шерсть янтарь притягивает мелкие предметы.

Потрём эбонитовую палочку о мех и поднесём её к кусочкам бумаги — они подскочат и прилипнут к палочке, а спустя некоторое время, отскочат от неё.

Значит, в результате соприкосновения и трения о мех эбонитовая палочка приобрела новое качество, выражающееся, в частности, в том, что она стала способной притягивать к себе лёгкие тела с силой, значительно превышающей силу гравитационного притяжения. Тела, соприкоснувшиеся с потёртой о мех эбонитовой палочкой, приобретают способность притягиваться и отталкиваться от неё. Наблюдаемые явления и есть электризация тел. Уильям Гильберт назвал наэлектризованными тела, способные после их натирания притягивать легкие предметы.

Сейчас мы говорим, что при электризации тела приобретают электрический заряд.

3 слайд

Выясним, что скрывается за утверждением данное тело или частица имеют электрический заряд.

Все тела построены из мельчайших, неделимых на более простые частиц, которые поэтому называют элементарными. Все элементарные частицы имеют массу и благодаря этому притягиваются друг к другу. Кроме того, большинство элементарных частиц, обладают способностью взаимодействовать друг с другом с силой, в огромное число раз превосходящую силу тяготения. Так в атоме водорода электрон притягивается с силой в 1039 раз превышающей силу гравитационного притяжения. Если частицы взаимодействуют друг с другом с силами, которые медленно уменьшаются с увеличением расстояния и во много раз превышают силы всемирного тяготения, то говорят, что эти частицы имеют электрический заряд. Взаимодействия между заряженными частицами называются электромагнитными.

Электрический заряд — это скалярная физическая величина, определяющая интенсивность электромагнитных взаимодействий.

Электрический заряд обозначается латинской буквой q, Q и измеряется в СИ в Кл.

4 слайд

Рассмотрим свойства электрического заряда.

Опыты показывают, что существует два вида зарядов — положительный «+» и отрицательный «-». Положительный заряд можно получить на стеклянной палочке, потерев ее о шелк, отрицательный заряд — на эбонитовой палочке, потерев ее о кусок меха.

При этом одноименно заряженные тела отталкиваются, а разноименно заряженные тела притягиваются.

5 слайд

Макроскопическое тело приобретает электрический заряд в процессе электризации.

Электризация — это процесс разделения и перераспределения зарядов между телами, участвующими в этом процессе.

Заряд макроскопического тела положителен, если в процессе электризации тело «потеряло» некоторое число электронов.

Заряд макроскопического тела считается отрицательным, если в процессе электризации оно «приобрело» некоторое число электронов.

Опыт показывает, что при электризации оба тела приобретают заряды противоположных знаков и равные по модулю.

6 слайд

Остановимся на четырех возможных типах электризации.

1. Электризациятрением

При тесном соприкосновении двух различных тел часть электронов переходит с одного тела на другое. При трении стекла об асбест стекло заряжается отрицательно, а асбест — положительно. Положительно заряжается вещество, отдающее электроны (асбест). В атоме такого вещества электрон слабо связан с атомом. В другом веществе (стекле) атом готов присоединить электрон, образуя отрицательный ион. При этом стекло заряжается отрицательно.

В результате трения стекла о шелк стекло заряжается положительно, а шелк отрицательно.

В общем случае при взаимном трении положительно заряжается вещество, имеющее меньшую энергию связи электронов в атоме, а отрицательно — большую. Уменьшение числа электронов в одном теле равно увеличению их числа в другом.

2. Электризация соприкосновением

При соприкосновении заряженной стеклянной палочки с электронейтральным шаром, подвешенным на нити, часть заряда переходит на шар. Последующее отталкивание одноименных зарядов отклоняет шар от положения равновесия. Заряд, полученный телом при соприкосновении, зависит от размера тела. Чем больше размеры тела, тем большая часть заряда перейдет на него при соприкосновении. Это свойство используется при заземлении. Земной шар имеет значительно большие размеры, по сравнению с телами, которые на нем находятся. Передавая заряд земле, тело становится электрически нейтральным, потому что на землю стекает почти весь заряд тела.

7 слайд

3. Электризация влиянием

Электризация влиянием иллюстрируется перераспределением зарядов на поверхности электронейтральной металлической сферы под действием электрического поля отрицательно заряженного стержня. В результате на удаленной стороне оказывается некоторое число «избыточных» электронов, и эта часть заряжается отрицательно. В той части сферы, которая расположена ближе к стержню оказывается избыток положительных ионов, здесь появляется положительный заряд. Если эту сферу привести в соприкосновение с электронейтральной, то часть заряда переходит на вторую сферу.

4. Электризация под действием света

Проводники могут приобретать заряд под действием света. Явление заключается в том, что под действием света электроны могут вылететь из проводника в окружающее пространство, благодаря чему проводник заряжается положительно. Это явление носит название фотоэлектрического эффекта.

8 слайд

2 свойство электрического заряда

Электрический заряд обладает свойством аддитивности. Заряд любой системы заряженных тел или частиц равен сумме зарядов тел или частиц, входящих в эту систему.

3 свойство электрического заряда

Американский физик Р.Милликен экспериментально показал, что электрический заряд дискретен. В природе существует минимальная порция электрического заряда — элементарный электрический заряд.

Элементарному заряду кратны заряды всех наблюдаемых элементарных частиц и макроскопического тела.

4 свойство электрического заряда

Экспериментальные исследования показывают, что электрический заряд не зависит от скорости движения тела или частицы относительно любой системы отсчета, т.е в любой системе отсчёта один и тот же электрический заряд остается одинаковым, т.е. он является инвариантной величиной.

5 свойство электрического заряда.

При электризации выполняется закон сохранения электрического заряда. Алгебраическая сумма электрических зарядов замкнутой системы тел сохраняется. Под замкнутой системой в электродинамике понимают такую систему, через границы которой не проникают другие заряды извне.

Подведем итог: Электрический заряд — инвариантная физическая величина, обладающая свойствами аддитивности, дискретности, сохранения в замкнутых системах тел.

9 слайд

Рассмотрим наиболее простой случай, когда электрически заряженные тела находятся в покое. Раздел электродинамики, посвященный изучению условий равновесия электрически заряженных тел, называют электростатикой. Основной закон электростатики был экспериментально установлен французским ученым Шарлем Огюстеном Кулоном в 1785 году.

Кулон поставил перед собой цель: установить, как зависит величина силы, действующей между заряженными телами, от зарядов на них и от расстояния между ними.

10 слайд

Кулон считал, что сила взаимодействия заряженных тел зависит от свойств среды между заряженными телами. Поэтому поместил заряженные тела в вакуум. Для проведения опыта ему нужно было подобрать такие тела, чтобы при взаимодействии перераспределением зарядов внутри них можно было пренебречь. Это возможно, если размеры заряженных тел малы по сравнению с расстоянием, на котором они расположены. Такие заряженные тела получили название точечных зарядов. Точечный заряд — это модель заряженного тела.

Прибор, с которым работал Кулон он сконструировал сам — это крутильные весы.

На очень тонкой упругой нити 1 подвешен за середину легкий хорошо изолирующий стержень 2, имеющий на одном конце проводящий шарик 3, а на другом диск 4, служащий противовесом и успокоителем. Верхний конец нити закреплен на вращающейся головке прибора, угол поворота которой можно точно измерять. Внутри прибора имеется такой же шарик 5, укрепленный на изолирующей ножке 6. Указанные части заключены в большой стеклянный цилиндр, предохраняющий стержень от движения воздуха. На поверхности цилиндра нанесена шкала, позволяющая определить расстояние между шариками 3 и 5 при различных их положениях. Головка прибора показана отдельно на рис.б.

Определяя вращающий момент, необходимый для закручивания нити на определенный угол, зная длину стержня, можно вычислить и силу, приложенную к шарику 3, которая обуславливает такой же вращающий момент.

11 слайд

В первой серии опытов Кулон определял, как зависит сила взаимодействия между заряженными точечными телами от расстояния между ними.

Он сообщал шарикам одинаковый заряд, шарики отталкивались друг от друга и отдалялись на некоторое расстояние, которое можно было измерить, отмечая соответствующее деление шкалы. Затем вращая указатель головки в направлении стрелки, закручивал нить подвеса и замечал те расстояния, на которые сближаются шарики при разных углах закручивания нити. Сравнивая различные силы кручения с соответствующими им расстояниями между шариками, Кулон пришел к выводу, что сила взаимодействия двух точечных зарядов обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.

12 слайд

Во второй серии опытов Кулон выяснял каким образом влияют на силу взаимодействия заряды.

Он сообщал шарикам одноименные заряды, устанавливал их на определенном расстоянии и измерял угол закручивания нити. Заряд шарика 5 можно менять. При соприкосновении заряженного шарика с точно таким же незаряженным заряды распределятся поровну между шариками. В результате заряд на шарике 5 уменьшится в 2, 4, 8 и т.д. раз. Соответственно уменьшится и заряд шарика 3.

Меняя заряды шариков, Кулон выяснил, что сила их взаимодействия прямо пропорциональна произведению модулей обоих зарядов.

13 слайд

Подобные опыты привели Кулона к установлению следующего закона: сила взаимодействия двух точечных неподвижных зарядов в вакууме прямо пропорциональна произведению модулей этих зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.

14 слайд

Рассмотрим единицы измерения физических величин, входящих в закон Кулона, и выясним физический смысл коэффициента пропорциональности.

15 слайд

Сила взаимодействия заряженных тел зависит от свойств среды, в которой они находятся. Сила взаимодействия двух точечных зарядов в среде всегда меньше силы взаимодействия этих зарядов на том же расстоянии в вакууме.

При этом отношение силы взаимодействия двух заряженных тел в вакууме к силе взаимодействия тех же зарядов на том же расстоянии в данной среде не зависит ни от модулей зарядов тел, ни от расстояния между ними. Значит эта величина является характеристикой данной среды. Она получила название диэлектрической проницаемости среды. Для каждой среды она определена и ее значение помещено в справочную таблицу. Тогда с учетом среды, закон Кулона запишется так.

16 слайд

Сила, описываемая законом Кулона, называется кулоновской силой. Она приложена к центру заряженного тела и направлена всегда вдоль прямой, соединяющей центры заряженных тел.

Для кулоновской силы справедлив третий закон Ньютона: заряды действуют друг на друга с силами, равными по модулю и противоположными по направлению.

17 слайд

Кулоновская сила взаимодействия двух зарядов не зависит от присутствия других заряженных тел.

Предположим, что заряд q взаимодействует с системой зарядов q1, q2, . qn. Если каждый из зарядов системы действует на заряд q с силой F1, F2. , Fn соответственно, то результирующая сила F, приложенная к заряду q со стороны данной системы, равна векторной сумме отдельных сил.

Принцип суперпозиции проиллюстрирован на рис.

18 слайд

Урок окончен. Спасибо за внимание.

Закон сохранения заряда

При электризации выполняется закон сохранения заряда. Его в 1843 году сформулировал и подтвердил с помощью эксперимента Майкл Фарадей, английский химик и физик – экспериментатор. Этот закон выполняется для любой замкнутой системы.

Примечание: Чтобы система зарядов была замкнутой, в нее не должны проникать дополнительные заряды снаружи, а принадлежащие этой системе заряды не должны ее покидать.

Сформулируем закон словами

Два электрически нейтральных тела можно наэлектризовать с помощью трения. Во время их электризации заряды перераспределяются между телами. Незначительная часть электронов переходит с одного тела на другое. Новые частицы не возникают, а существующие ранее не исчезают.

Сумма зарядов в замкнутой системе не изменяется.

Формула закона сохранения заряда

Пусть в замкнутой системе находится несколько заряженных частиц, к примеру, n штук. Каждую частицу обозначим буквой \(q\) и пронумеруем.

Тогда с помощью формулы закон сохранения заряда можно записать так:

\[ \large \boxed + q_ + q_ + \ldots + q_= const > \]

Заряд – скалярная величина, складывают такие величины алгебраически, каждый заряд записывают в формулу со своим знаком.

Примечания:

1. Скалярные величины — это обычные положительные и отрицательные числа.
2. Величина, обозначаемая по латыни словом «константа» – неизменная, а «варианта» – изменяющаяся.

Заряд замкнутой системы – пример

Рассмотрим систему, в которой присутствуют заряженные тела (рис. 1).

Мы можем эти тела перемещать по некоторой области пространства (системе). Пусть заряды тел будут достаточно малыми, чтобы Кулоновские силы не могли самостоятельно сдвинуть любое из тел с места.

Заряды будут действовать друг на друга, так как в пространстве вокруг каждого заряда существует его собственное электрическое поле.

Предположим, что в начальный момент времени, заряженные тела находились в положении, представленном на рисунке 1.

Рис. 1. Замкнутая система зарядов в начальный момент времени

Сложим заряды при учете их знаков и получим общий заряд всех тел, присутствующих в системе:

\[ \large (+3q) + (-4q) + (+6q) + (-2q) + (-q) = +2q \]

Итак, общий заряд системы в момент времени №1 равен +2q.

Теперь переместим тела, при этом, некоторые из тел приведем в соприкосновение. Между телами произойдет перераспределение зарядов. Читайте подробнее отдельную статью об электризации соприкосновением. Новое положение тел и их заряды представлены на рисунке 2.

Рис. 2. Замкнутая система зарядов спустя некоторое время

Вычислим теперь общий заряд всех тел системы:

\[ \large (+2q) + (-3q) + (-3q) + (-q) + (+7q) = +2q \]

Общий заряд системы в момент времени №2 не изменился и равен +2q, потому, что система замкнутая.

Заряды могут перераспределяться между телами, не если система будет замкнутой, то алгебраическая сумма зарядов изменяться не будет.

Число, которое не изменяется, математики обозначают надписью «const».

Суммарный заряд замкнутой системы двух наэлектризованных трением тел, равен нулю. Потому, что выполняется закон сохранения заряда.

Примечание: При электризации трением заряды двух тел равны по модулю и противоположны по знаку. В этом можно убедиться, проведя опыт, описывающий, как соотносятся заряды трущихся тел.

Выводы

1. Сложив все заряды в замкнутой системе, учитывая их знаки, мы получим число, которое не будет изменяться, потому, что система замкнутая.
2. Замкнутость системы означает, что мы не добавляем в нее дополнительные заряды и не убираем из нее никакой из имеющихся зарядов.

Закон сохранения электрического заряда

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.

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.

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:

где q₁, q₂ 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).

Рис. 1.4. Взаимодействие одноименно заряженных султанов

Рис. 1.5. Взаимодействие разноименно заряженных султанов