1 Электромагнитное поле

Урок №2/2
Тема №1: « Понятие об электромагнитном поле. Электрический заряд. Закон сохранения
электрического заряда. Взаимодействие зарядов. Закон Кулона.»
I Предварительный устный опрос.
- Назовите 4 основных фундаментальных взаимодействия.
- Какое взаимодействие называется электромагнитным?
- Какие силы в механике относятся к электромагнитным?
- Чем объясняется возможность взаимодействия заряженных тел на расстоянии?
- Что такое электромагнитное поле?
- Чем отличаются заряженные тела от незаряженных?
II Объяснение новой темы.
1 Понятие об электромагнитном поле.
В 60-х годах XIX в. Джеймс Клерк Максвелл разработал теорию электромагнитного поля, согласно
которой переменное электрическое поле порождает переменное магнитное поле. Эти поля
имеют вихревой характер: силовые линии порождающего поля концентрически охвачены силовыми
линиями порождаемого поля. В результате образуется система «переплетённых» между собой
электрических и магнитных полей.
Магнитное поле всегда возникает вокруг проводников, по которым текут токи. Силовые
линии магнитного поля всегда замкнуты, откуда следует, что электрические токи,
порождающие магнитное поле, тоже должны быть замкнуты.
Таким образом,
электрическое и магнитное поля взаимосвязаны: изменение одного из них порождает другое.
Эти поля – проявление единого электромагнитного поля.
Электромагнитное поле – особая форма материи. Оно существует реально, т.е. независимо от нас,
от наших знаний о нём.
Любой заряд, независимо от наличия других зарядов, всегда имеет электрическое поле. Если заряд
неподвижен, электрическое поле называется электростатическим.
Электростатическое поле не меняется во времени и создаётся только электрическими
зарядами.
2 Электрический заряд
Способность частиц или тел к электромагнитному взаимодействию характеризует электрический
заряд.
Электрический заряд – физическая величина, определяющая силу электромагнитного
взаимодействия.
Единица измерения электрического заряда – Кулон (Кл).
Существует два вида электрических зарядов – положительные и отрицательные.
Выбор названия этих зарядов был исторической случайностью. Заряд, который назвали
положительным, с тем же успехом можно было назвать и отрицательным. Носителями зарядов
могут быть элементарные частицы, атомы, молекулы, макроскопические тела.
Экспериментально было установлено, что существует минимальная величина электрического
заряда, одинаковая по модулю для положительных и отрицательных зарядов. Отделить часть этого
заряда невозможно. Наименьший электрический заряд имеют элементарные частицы: протон
обладает наименьшим положительным зарядом (+е), электрон – минимальным отрицательным
зарядом (-е).
Результирующая величина заряда атома или молекулы складывается из заряда протонов и
электронов, входящих в их состав:
Q = ne,
где n – целое число, е – 1,6∙10-19 Кл.
Суммарный заряд пропорционален величине минимального заряда.
Электрический заряд дискретен (квантован).
Минимальное различие величин любых зарядов равно е.
Согласно современной квантовой теории протон и нейтрон являются комбинацией других
2
элементарных частиц – кварков u и d c зарядом + 3 е
1
и - 3 е соответственно.
Кварки, как независимые частицы, в экспериментах не наблюдались. Однако даже если будет
обнаружен заряд, в 3 раза меньший заряда электрона, то и это не нарушит квантование заряда:
изменится лишь величина минимального заряда.
3 Закон сохранения электрического заряда
В результате взаимного трения электронейтральных тел, образующих электрически
изолированную систему, заряды перераспределяются между телами.
Электрически изолированная система тел – система тел, через границу которой не проникают
заряды.
Уменьшение числа электронов в одном теле равно увеличению их числа в другом. Полный заряд
такой системы не изменяется, оставаясь равным нулю.
Закон сохранения заряда: Алгебраическая сумма зарядов электрически изолированной
системы постоянна:
Q1 + Q2 + … + Qn = const
(1)
где n – число зарядов в системе.
Закон сохранения заряда выполняется и в том случае, если электрически изолированную систему
образуют заряженные тела. В соответствии с законом сохранения заряда разноимённые заряды
рождаются или исчезают попарно: сколько родилось (исчезло) положительных зарядов, столько
родилось (исчезло) и отрицательных.
Закон сохранения заряда справедлив в любой инерциальной системе отсчёта. Это означает, что
наблюдатели, находящиеся в различных инерциальных системах отсчёта, измеряя один и тот же
заряд, получают одно и то же значение его величины.
4 Взаимодействие зарядов. Закон Кулона.
Первые количественные результаты по измерению силы взаимодействия зарядов были получены в
1785 г. французским учёным Шарлем Огюстеном Кулоном.
Кулон для измерения этой силы использовал крутильные весы. Их основным элементом был
лёгкий изолирующий стержень (коромысло), подвешенный за его середину на серебряной упругой
нити.
Маленькая тонкая незаряженная золотая сфера на одном конце коромысла уравновешивалась
бумажным диском на другом конце. Поворотом коромысла она приводилась в контакт такой же
неподвижной заряженной сферой, в результате чего её заряд делился поровну между сферами.
Диаметр сфер выбирался много меньше, чем расстояние между сферами, чтобы исключить
влияние размеров и формы заряда на результаты измерений.
2
Рисунок .1.
Прибор Кулона.
Точечный заряд – заряженное тело, размер которого много меньше расстояния его
возможного действия на другие тела.
Сферы, имеющие одноимённые заряды, начинали отталкиваться , закручивая упругую нить.
Максимальный угол α поворота коромысла, фиксируемый по наружной шкале, был
пропорционален силе, действующей на сферу.
Кулон определил силу взаимодействия заряженных сфер по углу поворота коромысла.
Разряжая сферу после измерения силы и соединяя её вновь с неподвижной сферой, Кулон
уменьшал заряд на взаимодействующих сферах в 2, 4, 8,…раз.
Установка позволяла также изменять расстояние между заряженными сферами поворотом
коромысла с помощью градуированной шкалы.
Закон Кулона: Сила взаимодействия между двумя неподвижными точечными зарядами,
находящимися в вакууме, прямо пропорциональна произведению модулей зарядов, обратно
пропорциональна квадрату расстояния между ними и направлена по прямой, соединяющей
заряды:
F12 = kq1q2/r2
(2)
где q1, q2 – величина зарядов, r – расстояние между зарядами, k – коэффициент
пропорциональности, зависящий от выбора системы единиц.
В СИ единица заряда является не основной, а производной. Кулон определяют с помощью
Ампера (основной единицы силы тока вСИ).
Кулон – электрический заряд, проходящий через поперечное сечение проводника при силе
тока 1А за 1 с.
k = 9∙109 Н∙м2/Кл2
Часто его записывают в виде:
k = 1/4πε0,
где ε0 = 8,85∙10-12 Кл2/(Н∙м2) – электрическая постоянная.
Согласно закону Кулона два точечных заряда по 1 Кл, расположенных в вакууме на расстоянии 1
м друг от друга, взаимодействуют с силой
F = 9∙109 Н,
примерно равной весу египетских пирамид.
Из этой оценки ясно, что Кулон – очень большая единица заряда. На практике поэтому обычно
пользуются дольными единицами Кулона:
1 мкКл = 10-6 Кл,
1 мКл = 10-3 Кл.
III Задачи на закрепление темы
1 Определите силу взаимодействия двух одинаковых точечных зарядов по 1 мкКл,
находящихся на расстоянии 30 см друг от друга.
2 Сила взаимодействия двух одинаковых точечных зарядов, находящихся на расстоянии 0,5
м, равна 3,6 Н. Найдите величины этих зарядов.
3 Два одинаковых шарика массой 44,1 г подвешены на нитях длиной 0,5 м. При сообщении
шарикам одинаковых избыточных зарядов они оттолкнулись друг от друга так, что угол между
нитями стал равным 900. Найдите величины избыточных зарядов на шариках.