Як розрахувати заряд у 1 кулон?
Багато фізичних явищ, що спостерігаються в природі та навколишнього нас життя, не можуть бути пояснені тільки на основі законів механіки, молекулярно-кінетичної теорії та термодинаміки. У цих явищах проявляються сили, що діють між тілами на відстані, причому ці сили не залежать від мас тіл, що взаємодіють, і, отже, не є гравітаційними. Ці сили називають електромагнітними силами.
Про існування електромагнітних сил знали ще давні греки. Але систематичне, кількісне вивчення фізичних явищ, у яких проявляється електромагнітна взаємодія тіл, розпочалося лише наприкінці XVIII ст. Працями багатьох вчених у ХІХ столітті завершилося створення стрункої науки, що вивчає електричні та магнітні явища. Ця наука, яка є одним із найважливіших розділів фізики, отримала назву електродинаміки.
Основними об'єктами вивчення в електродинаміці є електричні та магнітні поля, створювані електричними зарядами та струмами.
Електричне поле
1.1. Електричний заряд. Закон Кулону
Подібно до поняття гравітаційної маси тіла в механіці Ньютона, поняття заряду в електродинаміці є первинним, основним поняттям.
Електричний заряд - це фізична величина, що характеризує властивість частинок або тіл вступати в електромагнітні силові взаємодії.
Електричний заряд зазвичай позначається літерами або .
Сукупність всіх відомих експериментальних фактів дозволяє зробити такі висновки:
- Існує два роду електричних зарядів, умовно названих позитивними та негативними.
- Заряди можуть передаватися (наприклад, при безпосередньому контакті) від тіла до іншого. На відміну від маси тіла, електричний заряд не є невід'ємною характеристикою даного тіла. Те саме тіло в різних умовах може мати різний заряд.
- Одноіменні заряди відштовхуються, різноіменні – притягуються. У цьому вся також проявляється принципове відмінність електромагнітних сил від гравітаційних. Гравітаційні сили завжди є силами тяжіння.
Одним із фундаментальних законів природи є експериментально встановлений закон збереження електричного заряду.
В ізольованій системі алгебраїчна сума зарядів усіх тіл залишається постійною:
Закон збереження електричного заряду стверджує, що у замкнутій системі тіл що неспроможні спостерігатися процеси народження чи зникнення зарядів лише однієї знака.
З сучасної точки зору носіями зарядів є елементарні частинки. Усі звичайні тіла складаються з атомів, до складу яких входять позитивно заряджені протони, негативно заряджені електрони та нейтральні частки – нейтрони. Протони та нейтрони входять до складу атомних ядер, електрони утворюють електронну оболонку атомів. Електричні заряди протона і електрона за модулем точно однакові і рівні елементарному заряду .
У нейтральному атомі число протонів у ядрі дорівнює числу електронів в оболонці. Це число називається атомним номером. Атом цієї речовини може втратити один або кілька електронів або придбати зайвий електрон. У цих випадках нейтральний атом перетворюється на позитивно або негативно заряджений іон.
Заряд може передаватися від одного тіла до іншого лише порціями, що містять цілу кількість елементарних зарядів.Таким чином, електричний заряд тіла – дискретна величина:
Фізичні величини, які можуть набувати лише дискретного ряду значень, називаються квантованими . Елементарний заряд є квантом (найменшою порцією) електричного заряду. Слід зазначити, що в сучасній фізиці елементарних частинок передбачається існування так званих кварків – частинок з дробовим зарядом і, однак, у вільному стані кварки досі спостерігати не вдалося.
У звичайних лабораторних дослідах для виявлення та вимірювання електричних зарядів використовується електрометр – прилад, що складається з металевого стрижня та стрілки, яка може обертатися навколо горизонтальної осі (рис. 1.1.1). Стрижень із стрілкою ізольований від металевого корпусу. При зіткненні зарядженого тіла зі стрижнем електрометра електричні заряди одного знака розподіляються по стрижню та стрілці. Сили електричного відштовхування викликають поворот стрілки на деякий кут, яким можна судити про заряді, переданому стрижню електрометра.
Електрометр є досить грубим приладом; він дозволяє досліджувати сили взаємодії зарядів. Вперше закон взаємодії нерухомих зарядів відкрили французьким фізиком Ш. Кулоном 1785 р. У своїх дослідах Кулон вимірював сили тяжіння та відштовхування заряджених кульок за допомогою сконструйованого ним приладу – крутильних ваг (рис. 1.1.2), що вирізнялися надзвичайно високою чутливістю. Так, наприклад, коромисло терезів поверталося на 1° під дією сили порядку .
Ідея вимірів ґрунтувалася на блискучій здогадці Кулона про те, що якщо заряджена кулька привести в контакт з такою самою незарядженою, то заряд першого розділиться між ними порівну.Таким чином, був вказаний спосіб змінювати заряд кульки в два, три і т.д. У дослідах Кулона вимірювалася взаємодія між кульками, розміри яких набагато менші за відстань між ними. Такі заряджені тіла прийнято називати точковими зарядами.
Точковим зарядом називають заряджене тіло, розмірами якого в умовах даного завдання можна знехтувати.
На підставі численних дослідів Кулон встановив такий закон:
Сили взаємодії нерухомих зарядів прямо пропорційні добутку модулів зарядів і обернено пропорційні квадрату відстані між ними:
Сили взаємодії підпорядковуються третьому закону Ньютона: Вони є силами відштовхування за однакових знаків зарядів і силами тяжіння за різних знаків (рис. 1.1.3). Взаємодія нерухомих електричних зарядів називають електростатичною або кулонівською взаємодією. Розділ електродинаміки, що вивчає кулонівську взаємодію, називають електростатикою.
Закон Кулона є справедливим для точкових заряджених тіл. Практично закон Кулона добре виконується, якщо розміри заряджених тіл набагато менші за відстань між ними.
p align="justify"> Коефіцієнт пропорційності в законі Кулона залежить від вибору системи одиниць. У Міжнародній системі СІ за одиницю заряду прийнято кулон (Кл).
Кулон - це заряд, що проходить за 1 с через поперечний переріз провідника при силі струму 1 А. Одиниця сили струму (ампер) в СІ є поряд з одиницями довжини, часу та маси основною одиницею вимірювання.
Коефіцієнт у системі СІ зазвичай записують у вигляді:
У системі СІ елементарний заряд дорівнює:
Досвід показує, що сили кулонівської взаємодії підпорядковуються принципу суперпозиції.
Якщо заряджене тіло взаємодіє одночасно з декількома зарядженими тілами, то результуюча сила, що діє дане тіло, дорівнює векторній сумі сил, що діють на це тіло з боку інших заряджених тіл.
Мал. 1.1.4 пояснює принцип суперпозиції з прикладу електростатичного взаємодії трьох заряджених тіл.
Принцип суперпозиції є фундаментальним законом природи. Однак, його застосування вимагає певної обережності, у тому випадку, коли йдеться про взаємодію заряджених тіл кінцевих розмірів (наприклад, двох провідних заряджених куль 1 і 2). Якщо до системи з двох заряджених куль піднсти третю заряджену кулю, то взаємодія між 1 і 2 зміниться через перерозподіл зарядів .
Принцип суперпозиції стверджує, що при заданому (фіксованому) розподілі зарядів на всіх тілах сили електростатичної взаємодії між будь-якими двома тілами не залежать від інших заряджених тіл.
Закон Кулону
Калькулятор розраховує невідому величину (заряд, силу чи відстань) за відомими, перетворюючи формулу із закону Кулона. Підходить на вирішення шкільних завдань на закон Кулона.
Калькулятор нижче присвячений закону Кулона. Він дозволяє, використовуючи формулу закону Кулона у скалярному вигляді, розрахувати невідому величину — заряд, силу чи відстань за відомими.
Сам закон Кулона у скалярному вигляді:
де k - постійна Кулона
і эпсилон (електрична постійна) дорівнює ≈
Калькулятор може стати в нагоді при вирішенні завдань з фізики на закон Кулона. Типові завдання можуть виглядати так:
- З якою силою взаємодіють два заряди по 10 нКл, що знаходяться на відстані 3 см один від одного
- На якій відстані один від одного заряди 1 мкКл та 10 нКл взаємодіють із силою 9 мН
Відповідно, в калькулятор спочатку вводимо, що хочемо знайти, потім заповнюємо відомі дані та отримуємо результат.
