Электрические силы это силы притяжения
Перейти к содержимому

Электрические силы это силы притяжения

  • автор:

На них держится Вселенная: как работают четыре главные силы природы

Все силы, с которыми мы сталкиваемся каждый день, можно свести к четырем категориям — гравитация, электромагнетизм, сильная сила и слабая. Недавно физики нашли возможные признаки пятой фундаментальной силы природы, о которой мы писали ранее. Пришло время разобраться, как работают основные.

Читайте «Хайтек» в

Фундамент Вселенной

Какие силы вы знаете? Силу тяжести, натяжения нити, сжатия пружины, столкновения тел, силу трения, взрыва, сопротивления воздуха и среды, поверхностного натяжения жидкости, силы Ван-дер-Ваальса — и на этом список не заканчивается. Однако все эти силы — производные четырех фундаментальных. Их также называют фундаментальными взаимодействиями, и именно они отвечают за все процессы во Вселенной. Если элементарные частицы можно сравнить с кусочками мозаики, то взаимодействия между ними это клей. В порядке от самых слабых к самым сильным ученые обозначили четыре взаимодействия — гравитационное, слабое, электромагнитное и сильное. Их нельзя свести к более простым, поэтому они и называются фундаментальными.

Стоит учесть, что на сегодня достоверно известно существование четырех фундаментальных взаимодействий (не считая поля Хиггса).

Сила тяжести — гравитационное взаимодействие

Гравитация — это притяжение между двумя объектами, которые обладают массой или энергией. Каждый наблюдал это фундаментальное воздействие и благодаря нему человек может сидеть, стоять или лежать. Гравитационная сила проявляется в падении камня с обрыва; движении планеты вокруг звезды; морских приливах, за которые отвечает Луна. Гравитация является наиболее интуитивно понятной и знакомой из фундаментальных сил, при этом ее не так уж просто объяснить.

Исаак Ньютон был первым, кто предложил идею гравитации, предположительно вдохновленную падением яблока с дерева. Он описал ее как буквальное притяжение между двумя объектами. Спустя столетия Альберт Эйнштейн в своей общей теории относительности (ОТО) предположил, что гравитация — это не притяжение или сила. Напротив, это следствие того, что объекты искривляют пространство-время. Большой объект работает с пространством-временем примерно так же, как большой шар, помещенный в середину листа, воздействует на этот материал, деформируя его и заставляя другие, более мелкие объекты на листе падать к середине.

Хотя гравитация удерживает вместе планеты, звезды, солнечные системы и даже галактики, она оказывается самой слабой из фундаментальных сил, особенно на молекулярном и атомном уровнях. Подумайте об этом так: насколько сложно оторвать мяч от земли? Или поднять ногу? Или прыгнуть? Все эти действия противодействуют гравитации всей Земли. А на молекулярном и атомном уровнях гравитация почти не влияет на другие фундаментальные силы.

Слабая сила и распад частиц

Слабая сила, или слабое ядерное взаимодействие, несет ответственность за распад частиц. Это буквальное превращение одного типа субатомных частиц в другой. Так, например, нейтрино, отклоняющееся от нейтрона, может превратить нейтрон в протон, а нейтрино — в электрон.

Физики описывают это взаимодействие через обмен бозонами. Эти несущие силу частицы, а именно некоторые их виды, ответственны за слабое взаимодействие, электромагнитное взаимодействие и сильное взаимодействие. В слабом взаимодействии бозоны — это заряженные частицы, называемые W- и Z-бозонами. Когда субатомные частицы — протоны, нейтроны и электроны — находятся на расстоянии 10 −18 метров (0,1% диаметра протона) друг от друга, они могут обмениваться этими бозонами. В результате субатомные частицы распадаются на новые частицы.

Слабое взаимодействие имеет решающее значение для реакций ядерного синтеза. Именно они приводят в действие Солнце и производят энергию, необходимую для большинства форм жизни здесь, на Земле. Кстати, поэтому археологи используют углерод-14 для определения возраста древних костей, дерева и других ранее живых артефактов. Углерод-14 имеет шесть протонов и восемь нейтронов. Один из этих нейтронов распадается на протон с образованием азота-14, у которого — семь протонов и семь нейтронов. Такой распад происходит с предсказуемой скоростью, что и позволяет ученым определить возраст артефактов.

Электромагнитная сила

Электромагнитная сила (сила Лоренца) действует между заряженными частицами — отрицательно заряженными электронами и положительно заряженными протонами. Противоположные заряды притягиваются друг к другу, а одинаковые — отталкиваются. Чем больше заряд, тем больше сила. И, как и гравитация, эту силу можно почувствовать.

Как следует из названия, электромагнитная сила состоит из двух частей: электрической силы и магнитной силы. Сначала физики описывали эти силы отдельно друг от друга, но позже поняли, что они являются компонентами одной.

Электрический компонент действует между заряженными частицами независимо от того, движутся они или нет, создавая поле. С помощью него заряды могут влиять друг на друга. Но как только они приходят в движение, эти заряженные частицы проявляют и вторую составляющую — магнитную силу. При движении они создают вокруг себя магнитное поле. Поэтому, когда электроны проникают через провод, чтобы, например, зарядить компьютер или телефон или включить телевизор, провод становится магнитным.

Электромагнитные силы передаются между заряженными частицами посредством обмена безмассовыми, несущими силу бозонами — фотонами, которые также являются частицами света. Однако фотоны, несущие силу, представляют собой другое их проявление. По данным университета Теннесси в Ноксвилле, они виртуальны и не поддаются обнаружению, хотя технически являются теми же частицами, что и реальная и обнаруживаемая версия фотонов.

Электромагнитная сила ответственна за некоторые из наиболее часто встречающихся явлений: трение, упругость, нормальную силу и силу, удерживающую твердые тела вместе в заданной форме. Она даже отвечает за сопротивление, с которым сталкиваются, например, птицы и самолеты. Это происходит из-за взаимодействия заряженных (или нейтральных) частиц друг с другом. Например, нормальная сила, которая удерживает книгу на столе (вместо силы тяжести, притягивающей книгу к земле), является следствием того, что электроны в атомах стола отталкивают электроны в атомах книги.

Сильное взаимодействие — в триллионы триллионы триллионов сильнее гравитации

Сильная ядерная сила, или сильное ядерное взаимодействие — мощнейшее из четырех фундаментальных сил природы. По данным HyperPhysics, это в 6 тысяч триллионов триллионов триллионов (это 39 нулей после 6) раз сильнее силы тяжести. Дело в том, что она связывает фундаментальные частицы материи вместе, чтобы сформировать более крупные частицы. Он удерживает вместе кварки, из которых состоят протоны и нейтроны, а часть сильного взаимодействия также удерживает вместе протоны и нейтроны ядра атома.

Подобно слабому взаимодействию, сильное взаимодействие действует только тогда, когда субатомные частицы находятся очень близко друг к другу. Они должны быть где-то в пределах 10 −15 метров друг от друга (примерно в пределах диаметра протона).

Однако сильное взаимодействие можно назвать «странным». Дело в том, что оно, в отличие от других фундаментальных сил, становится слабее по мере приближения субатомных частиц друг к другу. Как пишут исследователи Фермилаб, сильное взаимодействие достигает максимальной «прочности», когда частицы находятся как можно дальше друг от друга. Попадая в зону действия, безмассовые заряженные бозоны — глюоны — передают сильное взаимодействие между кварками и удерживают их «склеенными». Крошечная доля сильного взаимодействия — остаточное сильным взаимодействие — действует между протонами и нейтронами. Протоны в ядре отталкиваются друг от друга из-за их одинакового заряда, но остаточная сильная сила может преодолеть этот процесс. Именно поэтому частицы остаются связанными в ядре атома.

Великое объединение и теория всего

Неурегулированный вопрос о четырех фундаментальных силах заключается в том, действительно ли они являются проявлением единственной великой силы Вселенной. Если это так, каждый из них должен иметь возможность сливаться с другими, и уже есть доказательства того, что они могут.

Физики Шелдон Глэшоу и Стивен Вайнберг из Гарвардского университета с Абдусом Саламом из Имперского колледжа Лондона получили Нобелевскую премию по физике в 1979 году за объединение электромагнитной силы со слабой силой для формирования концепции электрослабой силы. Физики, работающие над созданием теорией Великого объединения, стремятся объединить электрослабое взаимодействие с сильным, чтобы определить электронно-ядерное. Ранее его предсказывали модели, однако оно еще не наблюдалось. Последний кусок головоломки потребовал бы объединения гравитации с электронно-ядерной силой для разработки теории всего — основы, которая могла бы объяснить всю Вселенную.

Однако физикам было довольно сложно объединить микроскопический мир с макроскопическим. В больших и особенно астрономических масштабах гравитация доминирует и лучше всего описывается общей теорией относительности Эйнштейна. Но на молекулярном, атомном или субатомном уровнях квантовая механика лучше всего описывает мир природы. И до сих пор никто не придумал хорошего способа объединить эти два мира.

Читать далее

§ 1. Электрические силы

Рассмотрим силу, которая, подобно тяготению, меняется обратно квадрату расстояния, но только в миллион биллионов биллионов биллионов раз более сильную. И которая отличается еще в одном. Пусть существуют два сорта «вещества», которые можно назвать положительным и отрицательным. Пусть одинаковые сорта отталкиваются, а разные — притягиваются в отличие от тяготения, при котором происходит только притяжение. Что же тогда случится?

Все положительное оттолкнется со страшной силой и разлетится в разные стороны. Все отрицательное — тоже. Но совсем другое произойдет, если положительное и отрицательное перемешать поровну. Тогда они с огромной силой притянутся друг к другу, и в итоге эти невероятные силы почти нацело сбалансируются, образуя плотные «мелкозернистые» смеси положительного и отрицательного; между двумя грудами таких смесей практически не будет ощущаться ни притяжения, ни отталкивания.

Такая сила существует: это электрическая сила. И все вещество является смесью положительных протонов и отрицательных электронов, притягивающихся и отталкивающихся с неимоверной силой. Однако баланс между ними столь совершенен, что, когда вы стоите возле кого-нибудь, вы не ощущаете никакого действия этой силы. А если бы баланс нарушился хоть немножко, вы бы это сразу почувствовали. Если бы в вашем теле или в теле вашего соседа (стоящего от вас на расстоянии вытянутой руки) электронов оказалось бы всего на 1% больше, чем протонов, то сила вашего отталкивания была бы невообразимо большой. Насколько большой? Достаточной, чтобы поднять небоскреб? Больше! Достаточной, чтобы поднять гору Эверест? Больше! Силы отталкивания хватило бы, чтобы поднять «вес», равный весу нашей Земли!

Раз такие огромные силы в этих тонких смесях столь совершенно сбалансированы, то нетрудно понять, что вещество, стремясь удержать свои положительные и отрицательные заряды в тончайшем равновесии, должно обладать большой жесткостью и прочностью. Верхушка небоскреба, скажем, отклоняется при порывах ветра лишь на пару метров, потому что электрические силы удерживают каждый электрон и каждый протон более или менее на своих местах. А с другой стороны, если рассмотреть достаточно малое количество вещества так, чтобы в нем насчитывалось лишь немного атомов, то там необязательно будет равное число положительных и отрицательных зарядов, и могут проявиться большие остаточные электрические силы. Даже если числа тех и других зарядов одинаковы, все равно между соседними областями может действовать значительная электрическая сила. Потому что силы, действующие между отдельными зарядами, изменяются обратно пропорционально квадратам расстояний между ними и может оказаться, что отрицательные заряды одной части вещества ближе к положительным зарядам (другой части), чем к отрицательным. Силы притяжения тогда превзойдут силы отталкивания, и в итоге возникнет притяжение между двумя частями вещества, в которых нет избыточного заряда. Сила, удерживающая атомы, и химические силы, скрепляющие между собой молекулы,— все это силы электрические, действующие там, где число зарядов неодинаково или где промежутки между ними малы.

Вы знаете, конечно, что в атоме имеются положительные протоны в ядре и электроны вне ядра. Вы можете спросить: «Если эти электрические силы так велики, то почему же протоны и электроны не налезают друг на друга? Если они стремятся образовать тесную компанию, почему бы ей не стать еще теснее?» Ответ связан с квантовыми эффектами. Если попытаться заключить наши электроны в малый объем, окружающий протон, то, согласно принципу неопределенности, у них должен возникнуть средний квадратичный импульс, тем больший, чем сильнее мы их ограничим. Именно это движение (требуемое законами квантовой механики) мешает электрическому притяжению еще больше сблизить заряды.

Тут возникает другой вопрос: «Что скрепляет ядро?» В ядре имеется несколько протонов, и все они положительно заряжены. Почему же они не разлетаются? Оказывается, что в ядре, помимо электрических сил, еще действуют и неэлектрические силы, называемые ядерными. Эти силы более мощные, чем электрические, и они способны, несмотря на электрическое отталкивание, удержать протоны вместе. Действие ядерных сил, однако, простирается недалеко; оно падает гораздо быстрее, чем 1/r 2 . И это приводит к важному результату. Если в ядре имеется слишком много протонов, то ядро становится чересчур большим и оно уже не может удержаться. Примером может служить уран с его 92 протонами. Ядерные силы действуют в основном между протоном (или нейтроном) и его ближайшим соседом, а электрические силы действуют на большие расстояния и вызывают отталкивание каждого протона в ядре от всех остальных. Чем больше в ядре протонов, тем сильнее электрическое отталкивание, пока (как у урана) равновесие не станет столь шатким, что ядру почти ничего не стоит разлететься от действия электрического отталкивания. Стоит его чуть-чуть «толкнуть» (например, послав внутрь медленный нейтрон) — и оно разваливается надвое, на две положительно заряженные части, разлетающиеся врозь в результате электрического отталкивания. Энергия, которая при этом высвобождается,— это энергия атомной бомбы. Ее обычно именуют «ядерной» энергией, хотя на самом деле это «электрическая» энергия, высвобождаемая, как только электрические силы превзойдут ядерные силы притяжения.

Наконец, можно спросить, чем скрепляется отрицательно заряженный электрон (ведь в нем нет ядерных сил)? Если электрон весь состоит из вещества одного сорта, то каждая его часть должна отталкивать остальные. Тогда почему же они не разлетаются в разные стороны? А точно ли существуют у электрона «части»? Может быть, следует считать электрон просто точкой и говорить, что электрические силы действуют только между разными точечными зарядами, так что электрон не действует сам на себя? Возможно. Единственно, что можно сейчас сказать,— что вопрос о том, чем скреплен электрон, вызвал много трудностей при попытке создать полную теорию электромагнетизма. И ответа на этот вопрос так и не получили. Мы займемся обсуждением его немного позже.

Как мы видели, можно надеяться, что сочетание электрических сил и квантовомеханических эффектов определит структуру больших количеств вещества и, следовательно, их свойства. Одни материалы — твердые, другие — мягкие. Некоторые из них — электрические «проводники», потому что их электроны свободны и могут двигаться; другие — «изоляторы», их электроны привязаны каждый к своему атому. Позже мы выясним, откуда появляются такие свойства, но вопрос этот очень сложен, поэтому рассмотрим сначала электрические силы в самых простых ситуациях. Начнем с изучения одних только законов электричества, включив сюда и магнетизм, так как и то и другое в действительности суть явления одной и той же природы.

Мы сказали, что электрические силы, как и силы тяготения, уменьшаются обратно пропорционально квадрату расстояния между зарядами. Это соотношение называется законом Кулона. Однако этот закон перестает выполняться точно, если заряды движутся. Электрические силы зависят также сложным образом и от движения зарядов. Одну из частей силы, действующей между движущимися зарядами, мы называем магнитной силой. На самом же деле это только одно из проявлений электрического действия. Потому мы и говорим об «электромагнетизме».

Существует важный общий принцип, позволяющий относительно просто изучать электромагнитные силы. Мы обнаруживаем экспериментально, что сила, действующая на отдельный заряд (независимо от того, сколько там еще есть зарядов или как они движутся), зависит только от положения этого отдельного заряда, от его скорости и величины. Силу F, действующую на заряд q, движущийся со скоростью v, мы можем написать в виде

(1.1)

здесь Еэлектрическое поле в точке расположения заряда, а Вмагнитное поле. Существенно, что электрические силы, действующие со стороны всех прочих зарядов Вселенной, складываются и дают как раз эти два вектора. Значения их зависят от того, где находится заряд, и могут меняться со временем. Если мы заменим этот заряд другим, то сила, действующая на новый заряд, изменяется точно пропорционально величине заряда, если только все прочие заряды мира не меняют своего движения или положения. (В реальных условиях, конечно, каждый заряд действует на все прочие расположенные по соседству заряды и может заставить их двигаться, так что иногда при замене одного данного заряда другим поля могут измениться.)

Из материала, изложенного в первом томе, мы знаем, как определить движение частицы, если сила, действующая на нее, известна. Уравнение (1.1) в сочетании с уравнением движения дает

(1.2)

Значит, если Е и В известны, то можно определить движение зарядов. Остается только узнать, как получаются Е и В.

Один из самых важных принципов, упрощающих получение величины полей, состоит в следующем. Пусть некоторое количество движущихся каким-то образом зарядов создает поле E1, а другая совокупность зарядов — поле Е2. Если действуют оба набора зарядов одновременно (сохраняя те же свои положения и движения, какими они обладали, когда рассматривались порознь), то возникающее поле равно в точности сумме

(1.3)

Этот факт называется принципом наложения полей (или принципом суперпозиции). Он выполняется и для магнитных полей.

Принцип этот означает, что если нам известен закон для электрического и магнитного полей, образуемых одиночным зарядом, движущимся произвольным образом, то, значит, нам известны все законы электродинамики. Если мы хотим знать силу, действующую на заряд А, нам нужно только рассчитать величину полей Е и В, созданных каждым из зарядов В, С, D и т. д., и сложить все эти Е и В; тем самым мы найдем поля, а из них — силы, действующие на А. Если бы оказалось, что поле, создаваемое одиночным зарядом, отличается простотой, то это стало бы самым изящным способом описания законов электродинамики. Но мы уже описывали этот закон (см. вып. 3, гл. 28), и, к сожалению, он довольно сложен.

Оказывается, что форма, в которой законы электродинамики становятся простыми, совсем не такая, какой можно было бы ожидать. Она не проста, если мы захотим иметь формулу для силы, с которой один заряд действует на другой. Правда, когда заряды покоятся, закон силы — закон Кулона — прост, но когда заряды движутся, соотношения усложняются из-за запаздывания во времени, влияния ускорения и т. п. В итоге лучше не пытаться строить электродинамику с помощью одних лишь законов сил, действующих между зарядами; гораздо более приемлема другая точка зрения, при которой с законами электродинамики легче управляться.

Гравитационные и электрические силы

Четыре фундаментальных взаимодействия постоянно происходят вокруг нас в каждый момент по всей Вселенной. В этой статье мы рассмотрим определения и примеры двух из четырех фундаментальных сил: гравитационной силы и электрической силы.

Что такое гравитационные и электрические силы?

Два наиболее известных взаимодействия, которые управляют Вселенной, какой мы ее знаем, — это гравитационная сила и электрическая сила.

Гравитационные и электрические силы — это два из четырех основных физических взаимодействий, которые испытывают массы во Вселенной. Эти силы влияют на движение, поведение и структуру частиц в разных масштабах.

Знание того, почему оба являются основополагающими, поможет вам лучше понять многие другие темы в физике — давайте углубимся в детали этих сил.

Определение гравитационной силы

Гравитационная сила, вероятно, является силой, которую вы знаете лучше всего: она удерживает все объекты на поверхности Земли на земле, ускоряет телефон, который вы уронили на пол, и удерживает все орбитальные тела в нашей Солнечной системе вместе. Это также самая слабая сила.

Гравитационная сила является классическим объяснением притяжения всех масс друг к другу во Вселенной на бесконечных расстояниях.

Гравитационное взаимодействие всегда притягивает массы друг к другу. Почему? Гравитация не имеет положительной или отрицательной составляющей, как заряды протонов, электронов и других частиц. Поскольку сама масса всегда положительна, гравитационная сила всегда притягивается. Если бы масса могла иметь отрицательное значение, мы бы увидели гравитационные поля, которые отталкивают другие массы, но вселенная с этими законами может оказаться не той, в которой мы могли бы выжить!

Вероятно, вы слышали термин “гравитационное поле” в прошлом и задавались вопросом, чем это отличается от определения гравитационной силы. Гравитационные поля — это еще один термин, с которым вы столкнетесь при изучении фундаментальных сил.

Гравитационное поле — это векторное поле вокруг массы, которое описывает величину и направление гравитации, если бы мы поместили очень маленькую массу где-нибудь в этом поле.

Теперь, когда мы углубились в наше понимание гравитационной силы, давайте погрузимся в знаменитое уравнение, управляющее этим фундаментальным взаимодействием.

Уравнение гравитационной силы

Закон всемирного тяготения Ньютона, уравнение для гравитационной силы, действующей между двумя объектами с массой, записывается как:

Fg=G*m1m2/r2

Гравитационная постоянная — это постоянная пропорциональности для всех гравитационных сил и полей во Вселенной.

Гравитационная сила одинакова по величине для обоих объектов — оба объекта гравитационно притягивают друг друга. Используя массу Земли и массу вашего собственного тела в качестве примера, сила, которую вы оказываете на планету, равна силе, которую планета оказывает на вас!

Когда гравитационная сила воздействует на объект, энергия и работа сохраняются, что означает, что энергия не может быть создана или уничтожена из-за силы тяжести. Если телефон падает с крыши здания, сила тяжести ускоряет телефон вниз, а потенциальная энергия преобразуется в кинетическую энергию.

Мы знаем, что гравитационное притяжение является свойством всей массы. Что еще нужно знать? Одна вещь, о которой вам может быть интересно, это разница между классической теорией гравитации и современными теориями.

Классические теории гравитации использовались в качестве объяснения ускорения объектов на Земле в течение сотен лет. Галилей, Ньютон, Гюйгенс и другие ученые задавались вопросом, по какой причине объекты ускоряются к земле после падения, и представляли себе силу, которая вызывает такое поведение. Работа Эйнштейна означала, что гравитация может не быть силой. Вместо этого общая теория относительности объясняет, что масса искривляет само пространство-время. И даже совсем недавно исследователи активно ищут частицу, которая может объяснить гравитацию на квантовом уровне.

Тогда почему мы все еще должны заботиться о классической теории гравитации? Новые теории не означают, что описание гравитации как силы притяжения совершенно неточно. Современные теории особенно полезны, когда речь идет о сверхмассивных объектах, таких как черные дыры или объекты, движущиеся с высокой скоростью, но первоначальный закон всемирного тяготения Ньютона по-прежнему является полезным инструментом для объяснения гравитационного притяжения на Земле и в нашей Солнечной системе. Хотя общая теория относительности выходит за рамки AP Physics 1, полезно знать о различных теориях, которые мы используем для объяснения нашей вселенной!

Определение электрической силы

Электрическая сила, также называемая электростатической силой для систем в состоянии покоя, представляет собой силу между двумя зарядами.

Электрическая или электростатическая сила — это взаимодействие между заряженными частицами, такими как электроны и протоны в состоянии покоя, в результате чего они могут притягиваться или отталкиваться друг от друга.

Электрические заряды — это физическое свойство частиц. Атомы, состоящие из электронов, протонов и нейтронов, могут быть заряжены отрицательно или положительно, если электроны и протоны не сбалансированы.

Эти взаимодействия между заряженными частицами обычно слишком малы, чтобы мы могли наблюдать их одними глазами, но многие физические явления, с которыми мы знакомы в макроскопическом масштабе, происходят благодаря этим силам, действующим в атомном и субатомном масштабах. В атомном и субатомном масштабах электрическая сила доминирует над гравитационной силой, что означает, что силой притяжения между частицами можно пренебречь.

Как и гравитационные силы, электрические силы также имеют полевой компонент. Действительно, заряженные частицы окружены электрическим полем.

Электрическое поле — это векторное поле, которое описывает величину и направление электрической силы, если бы мы поместили заряд где-нибудь в этом поле.

Электрические поля могут выглядеть по-разному. Самое главное, вы должны помнить, что в отличие от гравитационной силы, электрические взаимодействия могут быть притягательными или отталкивающими, в зависимости от знаков задействованных зарядов.

Что мы подразумеваем под “только электрическими силами в состоянии покоя” здесь? Когда мы добавляем к изображению движущиеся заряды, мы также вводим магнитные поля и силы. Магнетизм возникает в результате перемещения зарядов, поэтому электричество и магнетизм часто обсуждаются вместе как единое понятие. Если вам интересно узнать больше сейчас, ознакомьтесь со статьей «Фундаментальные силы» или узнайте больше в AP Physics 2!

Уравнение электрической силы обычно известно как закон Кулона. Это уравнение записывается в виде:

Закон Кулона даст нам окончательный ответ в единицах ньютонов.

Кулон — это единица электрического заряда, полученная из тока и времени, представленных символом.

1 Coloumb = 1 Ampere * 1 sekond

Если нам просто нужна величина электрической силы, мы можем взять абсолютное значение произведения двух зарядов, как показано на предыдущем рисунке. Это полезно, если мы хотим знать, насколько сильна сила, действующая между двумя зарядами, не заботясь о направлении.

Основные характеристики электрической силы и гравитационной силы

Мы узнали, что, как и гравитационная сила, электрическая сила между двумя частицами притягательна, однако это верно только для двух частиц с противоположными зарядами. Здесь мы видим расхождение в сходстве с силой тяжести. Когда два заряда одинаковы, электрическая сила будет отталкиваться.

Возможно, вам интересно, как выглядит электрическая сила в действии, поэтому давайте рассмотрим реальный пример.

Вы когда-нибудь тянулись, чтобы открыть дверь, и испытывали быстрый удар статического электричества при прикосновении к дверной ручке? Это явление происходит, если вы собрали несколько дополнительных электронов. Возможно, вы шаркали ногами по комнате с ковровым покрытием, или ваша одежда только что вынута из сушильной машины. Трение этих изоляционных материалов друг о друга заставляет ваше тело получать заряд, а прикосновение к металлической дверной ручке разряжает накопленный вами дополнительный заряд!

Подводя итог, вот наиболее важные характеристики, которые следует помнить об электрической силе.

Электрическая сила действует между заряженными частицами в атомном и субатомном масштабах.
Это также называется электростатической силой, когда заряды находятся в состоянии покоя. Закон Кулона — это физический закон и уравнение электростатической силы.
Он доминирует над гравитационной силой в крошечных масштабах, размером с атом или меньше.
Электрическая сила притягивает, если два заряда разные, и отталкивает, если два заряда одинаковы.
Электростатическая сила прямо пропорциональна произведению двух зарядов и обратно пропорциональна расстоянию между двумя зарядами.
Вы узнаете больше об электрических и магнитных силах в AP Physics 2 — на данный момент наиболее важным моментом, который следует иметь в виду, продвигаясь вперед, является то, что сила, действующая между двумя зарядами, равна по величине, а сила силы обратно пропорциональна квадрату расстояния.

Прежде чем перейти к сравнению этих двух фундаментальных взаимодействий, давайте обобщим то, что мы узнали о гравитации. Запомните эти ключевые характеристики гравитационной силы.

Гравитационная сила является самой слабой из четырех фундаментальных сил.
Гравитация всегда притягательна и действует на центры объектов или центр масс между несколькими объектами.
Сила тяжести обратно пропорциональна квадрату расстояния между двумя объектами. Это также напрямую связано с общей массой двух объектов.
Общая энергия и работа, обусловленные силой тяжести, сохраняются — потенциальная энергия с высоты объекта преобразуется в кинетическую энергию.
Гравитация действует на большие расстояния, значительно превышающие масштаб электрической силы.

Сравнение гравитационных и электрических сил

Если вы уделяли пристальное внимание характеристикам как гравитационных, так и электрических сил, вы, возможно, заметили некоторое сходство между этими законами! Вот удобная таблица сходств и различий, которые вы захотите запомнить между ними.

Качество/Гравитационные, электрические или оба?

Фундаментальная сила физики/Оба

Подчиняется закону обратных квадратов для расстояния/Оба

Действует на бесконечные расстояния/Оба

Зависит от заряда/Электрические

Доминирует на коротких расстояниях/Электрические

Силы или поля могут быть отменены/Электрические

Зависит от массы/Гравитационные

Доминирует на очень больших расстояниях/Гравитационные

Гравитационные и электрические силы — основные выводы

Гравитационные и электрические силы являются фундаментальными силами физики, обе из которых определяют большую часть физической структуры и поведения в нашей Вселенной.
Гравитационная сила притягивает все массы друг к другу.
Электрическая сила может быть либо привлекательной, либо отталкивающей между двумя зарядами, когда одинаковые заряды отталкиваются, а противоположные заряды притягиваются.
Как гравитационные, так и электрические силы действуют на бесконечном расстоянии, но обе силы уменьшаются с увеличением расстояния из-за законов обратного квадрата расстояния.

Электростатические силы: все, что вам нужно знать об их определении

Электростатические силы: все, что вам нужно знать об их определении

Электростатические силы — увлекательное явление, которое присутствует в нашей повседневной жизни, хотя иногда мы этого не осознаем. От искры, которая выскакивает при прикосновении к металлическому предмету, до статического заряда наших волос — эти силы ответственны за многочисленные явления, которые нас окружают. В этой статье мы приглашаем вас погрузиться в захватывающий мир электростатических сил, узнав их определение, характеристики и значение в различных областях науки. Готовы ли вы войти в эту интригующую вселенную? Продолжайте читать, и мы раскроем все секреты, которые вам нужно знать об электростатических силах!

      • Электростатическая сила: ключ к пониманию электрических взаимодействий
      • Электростатическая сила и ее виды: взгляд на мощность электрических зарядов
        • Увлекательные характеристики электростатической силы: невидимая сила, управляющая нашим миром

        Электростатическая сила: ключ к пониманию электрических взаимодействий

        Электростатическая сила — фундаментальное понятие в физике, которое позволяет нам понять электрические взаимодействия между различными электрически заряженными объектами. Эта сила отвечает за электрические явления, которые мы наблюдаем в повседневной жизни, такие как притяжение или отталкивание между двумя магнитами или ощущение статического электричества при прикосновении к определенным материалам.

        Электростатическая сила основана на законе Кулона, сформулированном французским физиком Шарлем-Огюстеном де Кулоном в 18 веке. Этот закон гласит, что величина силы между двумя электрическими зарядами прямо пропорциональна произведению их зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния, разделяющего их.

        Математически закон Кулона выражается следующим образом:

        F = k * (q1 * q2) / r ^ 2

        Где F — электростатическая сила, k — константа пропорциональности (зависящая от среды, в которой находятся заряды), q1 и q2 — электрические заряды, а r — расстояние между ними.

        Важно отметить, что электростатическая сила может быть притягивающей или отталкивающей, в зависимости от знака зарядов. Если заряды одного знака, они отталкиваются друг от друга; Если они противоположных знаков, они притягиваются.

        На эту силу также могут влиять другие факторы, такие как наличие поблизости других электрически заряженных объектов или поляризация атомов в диэлектрическом материале.

        Электростатическая сила и ее виды: взгляд на мощность электрических зарядов

        Электростатическая сила является одной из фундаментальных сил в природе и играет решающую роль во взаимодействии между электрически заряженными частицами. Эта сила проявляется при взаимодействии двух электрических зарядов, независимо от того, являются ли они зарядами одного или противоположных знаков.

        Существует два типа электростатической силы: сила притяжения и сила отталкивания. Сила притяжения возникает при взаимодействии двух электрических зарядов противоположных знаков, а сила отталкивания возникает при сближении двух зарядов одного знака.

        Важно отметить, что электростатическая сила подчиняется закону Кулона, который устанавливает, что величина силы между двумя зарядами прямо пропорциональна произведению их величин и обратно пропорциональна квадрату расстояния, разделяющего их. Этот закон математически представляется следующим образом:

        F = k * ((q1 * q2) / r^2)

        Где F — электростатическая сила, q1 и q2 — величины зарядов, r — расстояние между зарядами, а k — электростатическая константа пропорциональности.

        Электростатическую силу можно понять и с точки зрения электрических полей. Электрическое поле — это область пространства, где на электрический заряд действует электрическая сила. Напряженность электрического поля измеряется в единицах вольт на метр (В/м) и рассчитывается путем деления электрической силы на пробный заряд.

        В нашей повседневной жизни существуют различные применения электростатической силы. Например, бытовая техника, такая как телевизоры и компьютеры, использует электрические заряды для генерации изображений и звуков. Кроме того, статическое электричество, которое представляет собой накопление электрических зарядов на объекте, может вызвать искры или удары электрическим током при контакте с проводящим объектом.

        Вы заинтересованы в: Формула механического импульса: все, что вам нужно знать

        Увлекательные характеристики электростатической силы: невидимая сила, управляющая нашим миром

        Электростатическая сила является одной из фундаментальных сил в природе и играет решающую роль в нашем мире. Хотя мы не можем увидеть или почувствовать это непосредственно, его влияние присутствует во многих аспектах нашей повседневной жизни.

        Электростатическая сила – это сила притяжения или отталкивания между электрически заряженными частицами. Эта сила основана на законе Кулона, сформулированном французским физиком Шарлем-Огюстеном де Кулоном в 18 веке. Согласно этому закону, электростатическая сила между двумя заряженными частицами прямо пропорциональна произведению зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.

        Одной из наиболее интересных особенностей электростатической силы является ее способность действовать на очень больших расстояниях. В отличие от гравитации, которая уменьшается пропорционально квадрату расстояния, электростатическая сила может быть гораздо сильнее из-за электрического заряда частиц. Это объясняет, почему электростатические явления могут быть такими мощными даже на, казалось бы, больших расстояниях.

        Кроме того, электростатическая сила может действовать как притягивающе, так и отталкивающе. Заряды противоположных знаков притягивают друг друга, а заряды одного знака отталкиваются. Это свойство имеет фундаментальное значение для понимания взаимодействия между атомами и молекулами в веществе.

        Электростатическая сила ответственна за повседневные явления, такие как статическое электричество. Когда мы трем воздушный шарик об одежду, а затем подносим его к волосам, электростатическая сила заставляет волосы вставать дыбом. Это явление обусловлено переносом зарядов между воздушным шариком и волосами, создающим электростатическое притяжение.

        Кроме того, электростатическая сила важна для генерации и распределения электрической энергии. В проводящих проводах электроны движутся под действием электростатической силы, создавая электрический ток. Электрические генераторы используют электростатическую силу для преобразования механической энергии в электрическую.

        Держитесь за кабели, вот и конец этой захватывающей статьи об электростатических силах! Теперь, когда вы знаете все, что вам нужно знать о ее определении, пришло время заняться массой (точнее, электронами).

        Знаете ли вы, что электростатические силы подобны братским ссорам из-за последнего куска шоколада? Да, хотя это может показаться невероятным, но в мире заряженных частиц электроны и протоны притягиваются и отталкиваются друг друга, как будто завтрашнего дня не существует. Они словно магниты с отношениями любви и ненависти, всегда ищущие баланс между позитивом и негативом.

        Но не волнуйтесь: вам не понадобится докторская степень по физике, чтобы понять, как работают эти силы. По сути, все сводится к электрическому заряду и расстоянию между частицами. Чем больше зарядов и чем они ближе, тем сильнее будет сила. Как будто электроны одержимы драмой и всегда ищут способы столкнуться друг с другом!

        Теперь, когда вы являетесь экспертом в области электростатических сил, будьте осторожны с обувью на резиновой подошве, потому что она может оказаться заряженной, как аккумулятор! И помните: если вы когда-нибудь окажетесь на скучной вечеринке, вы всегда сможете удивить всех своими знаниями о статическом электричестве. Вы будете душой танцпола!

        Итак, вы знаете, в следующий раз, когда вы увидите искру или почувствуете небольшую судорогу, помните, что вы являетесь свидетелем действия электростатических сил. Электричество еще никогда не было таким захватывающим!

        И вот мы пришли с этим содержанием, наполненным знаниями об электростатических силах. Мы надеемся, что у вас осталась улыбка на лице и вы хотите продолжать узнавать больше об увлекательном мире физики. До встречи в следующей статье, где мы продолжим исследование полярностей нашей Вселенной! Искры и наэлектризованные поздравления!

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *