Закон сохранения электрического заряда для замкнутой системы

В замкнутой системе при любых взаимодействиях тел алгебраическая сумма электрических зарядов всех тел остается постоянной:

Для удобства описания взаимодействия было введено понятие электрического поля – особого вида материи, по средствам которого взаимодействуют заряды.Сила взаимодействия зарядов определяется экспериментальным законом Кулона.

Закон Кулона, 1785г. (Шарль Кулон (1736-1806))

Сила взаимодействия точечных зарядов прямо пропорциональна произведению их модулей, обратно пропорциональна расстоянию между ними и направлена вдоль линии, соединяющей центры зарядов: , где k = 9∙10 9 м/Ф; ε₀ = 8,85∙10 -12 Ф/м – электрическая постоянная, q₁ и q₂ – величины взаимодействующих зарядов, r – расстояние между зарядами.

Единица электрического заряда 1 Кл (Кулон) – заряд, проходящий за 1 с через поперечное сечение проводника при силе тока 1 А.

Теория близкодействия, созданная на основе работ Майкла Фарадея (1791 – 1867), объясняет взаимодействие электрических зарядов тем, что вокруг каждого заряда существует электрическое поле – это особый вид материи посредствам которого взаимодействуют заряды.

Напряженность электрического поля (векторная величина) – это величина, численно равная силе, действующей со стороны поля на единичный пробный точечный заряд. , для точечного заряда .

Принцип суперпозиции: если в данной точке пространства

различные заряженные частицы создают электрические поля с

напряженностями Е₁, Е₂ и т.д., то вектор напряженности

электрического поля равен сумме векторов напряженностей

всех электрических полей (правила сложения векторов).

Графически электрическое поле можно показать с помощью силовой линии – линии, касательной к которой в каждой точке является вектор E. Линии напряженности эл. Поля начинаюся на положительных зарядах и кончаются на отрицательных или уходят в бесконечность.

Напряженность поля в каждой точке пропорциональна величине заряда, создающего поле, поэтому, чем больше заряд, тем гуще силовые линии.

При равномерном распределении эл. заряда по поверхности площади поверхностная плотность заряда равна .

Работа при перемещении эл. заряда в эл. поле.

Если перемещение заряда просходило по линии напряженности поля на

расстояние ∆d = d₁ – d₂, то работа равна:

Как и в механике, при перемещении заряда в эл. поле из одной точки в другую

работа сил эл поля не зависит от формы траектории. Работа сил эл. поля при

движении эл заряда по любой замкнутой траектории равна нулю.

Потенциал – это физ. величина, численно равная потенциальной энергии пробного единичного положительного точечного заряда в электрическом поле , для точечного заряда .

Потенциальная энергия заряда в электростатическом поле равна .

Разность потенциалов ( или иначе напряжение )– это разность потенциалов в начальной и конечной точках траектории заряда.

Напряжение между двумя точками ( U ) равно разности потенциалов этих точек и равно работе поля по перемещению единичного заряда.

Дата добавления: 2015-02-25 ; просмотров: 629 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Опыт с электризацией пластин доказывает, что при электризации трением происходит перераспределение имеющихся зарядов между нейтральными в первый момент телами. Небольшая часть электронов переходит с одного тела на другое. Новые заряженные частицы не возникают, а существовавшие ранее не исчезают. Алгебраическая сумма положительных и отрицательных зарядов тел равна нулю.

При электризации тел выполняется закон сохранения электрического заряда. Этот закон справедлив для системы, в которую не входят извне и из которой не выходят наружу заряженные частицы, т. е. для замкнутой системы. В замкнутой системе алгебраическая сумма зарядов всех частиц остается неизменной:

Закон сохранения заряда имеет глубокий смысл. Если число заряженных элементарных частиц не изменяется, то выполнение закона сохранения заряда очевидно. Но элементарные частицы могут превращаться друг в друга, рождаться и исчезать, давая жизнь новым частицам. Однако во всех случаях заряженные частицы рождаются только парами с одинаковыми по модулю и противоположными по знаку зарядами. Исчезают заряженные частицы, превращаясь в нейтральные, тоже только парами. Во всех случаях сумма зарядов изолированной системы остается одной и той же.

Справедливость закона сохранения заряда подтверждают наблюдения над огромным числом превращений элементарных

частиц. Этот закон выражает одно из самых фундаментальных свойств электрического заряда.

Причина сохранения заряда до сих пор неизвестна.

1. Какие взаимодействия называют электромагнитными? 2. Что такое элементарный заряд? 3. Приведите примеры явлений, вызванных электризацией тел, которые вы наблюдали в повседневной жизни. 4. Эбонитовая палочка при электризации зарядилась отрицательно. Осталась ли неизменной масса палочки? 3. Сформулируйте закон сохранения электрического заряда. 6. Приведите примеры явлений, в которых наблюдается сохранение заряда.

Многие физические явления, наблюдаемые в природе и окружающей нас жизни, не могут быть объяснены только на основе законов механики, молекулярно-кинетической теории и термодинамики. В этих явлениях проявляются силы, действующие между телами на расстоянии, причем эти силы не зависят от масс взаимодействующих тел и, следовательно, не являются гравитационными. Эти силы называют электромагнитными силами .

Закон сохранения электрических зарядов

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:

Закон сохранения электрических зарядов

Элементарные частицы могут иметь эл. заряд, тогда они называются заряженными;

Элементарные частицы – взаимодействуют друг с другом с силами, которые зависят от расстояния между частицами, но превышают во много раз силы взаимного тяготения (это взаимодействие называется электромагнитным).

Электрический заряд – физическая величина, определяет интенсивность электромагнитных взаимодействий.

Существует 2 знака эл.зарядов:

Частицы с одноименными зарядами отталкиваются, с разноименными – притягиваются. Протон имеет положительный заряд, электрон – отрицательный, нейтрон – электрически нейтрален.

Элементарный заряд – минимальный заряд, разделить который невозможно.

Чем объяснить наличие электромагнитных сил в природе? – в состав всех тел входят заряженные частицы.

В обычном состоянии тела электрически нейтральны (т.к. атом нейтрален), и электромагнитные силы не проявляются.

Тело заряжено, если имеет избыток зарядов какого-либо знака:

• отрицательно заряжено – если избыток электронов;
• положительно заряжено – если недостаток электронов.

Электризация тел – это один из способов получения заряженных тел, например, соприкосновением).

При этом оба тела заряжаются , причем заряды противоположны по знаку, но равны по модулю.

Закон сохранения электрических зарядов

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. 1.1).

Если теперь поднести к заряженной гильзе стеклянную палочку, потёртую о шёлк (положительно заряженную), то гильза будет к ней притягиваться (рис. 1.2).

Закон сохранения электрических зарядов

Возьмём два одинаковых электрометра и один из них зарядим (рис. 2.1). Его заряд соответствует 6 делениям шкалы.

Если соединить эти электрометры стеклянной палочкой, то никаких изменений не произойдёт. Это подтверждает тот факт, что стекло является диэлектриком. Если же для соединения электрометров использовать металлический стержень А (рис. 2.2), держа его за не проводящую электричество ручку В, то можно заметить, что первоначальный заряд разделится на две равные части: половина заряда перейдёт с первого шара на второй. Теперь заряд каждого электрометра соответствует 3 делениям шкалы. Таким образом, первоначальный заряд не изменился, он только разделился на две части.

Если заряд передать от заряженного тела к незаряженному телу такого же размера, то заряд разделится пополам между двумя этими телами. Но если второе, незаряженное тело, будет больше, чем первое, то на второе перейдёт больше половины заряда. Чем больше тело, которому передают заряд, тем большая часть заряда на него перейдёт.

Но общая сумма заряда при этом не изменится. Таким образом, можно утверждать, что заряд сохраняется. Т.е. выполняется закон сохранения электрического заряда.

Электрические заряды не существуют сами по себе, а являются внутренними свойствами элементарных частиц – электронов, протонов и др.

Опытным путем в 1914 г. американский физик Р. Милликен показал что электрический заряд дискретен. Заряд любого тела составляет целое кратное от элементарного электрического заряда e = 1.6 × 10 -19 Кл .

В реакции образования электронно-позитронной пары действует закон сохранения заряда.

Позитрон — элементарная частица, имеющая массу, приблизительно равную массе электрона; заряд позитрона положительный и равен заряду электрона.

На основании закона сохранения электрического заряда объясняется электризация макроскопических тел.

Как известно, все тела состоят из атомов, в состав которых входят электроны и протоны. Количество электронов и протонов в составе незаряженного тела одинаковое. Поэтому такое тело не проявляет электрического действия на другие тела. Если же два тела находятся в тесном контакте (при натирании, сжатии, ударе и т.п.), то электроны, связанные с атомами значительно слабее, чем протоны, переходят с одного тела на другое.

Тело, на которое перешли электроны, будет иметь их избыток. Согласно закону сохранения электрический заряд этого тела будет равняться алгебраической сумме положительных зарядов всех протонов и зарядов всех электронов. Этот его заряд будет отрицательным и по значению равным сумме зарядов избыточных электронов.

У тела с излишком электронов отрицательный заряд.

Тело, утратившее электроны, будет иметь положительный заряд, модуль которого бу­дет равен сумме зарядов электронов, поте­рянных телом.

У тела, имеющего положитель­ный заряд, электронов мень­ше, чем протонов.

Электрический заряд не изме­няется при переходе тела в другую систему отсчета.