Меню
Видеоучебник
Видеоучебник  /  Физика  /  10 класс  /  Физика 10 класс ФГОС  /  Электрический заряд. Закон сохранения электрического заряда

Электрический заряд. Закон сохранения электрического заряда

Урок 41. Физика 10 класс ФГОС

На этом уроке мы вспомним, какие взаимодействия в природе называют электромагнитными. Поговорим об электрическом заряде и его видах. Узнаем, в чём проявляется свойство дискретности электрического заряда. А также сформулируем закон сохранения электрического заряда.

Конспект урока "Электрический заряд. Закон сохранения электрического заряда"

Ещё совсем недавно мы с вами говорили о том, что по современным представлениям основой всего многообразия явлений природы являются всего четыре фундаментальных взаимодействия — сильное, слабое, электромагнитное и гравитационное. Каждый вид взаимодействия связан с определённой характеристикой частицы. Так, гравитационное взаимодействие зависит от масс частиц, а электромагнитное — от электрических зарядов.

Электромагнитное взаимодействие лежит в основе всех электрических, магнитных и оптических явлений. Им же обусловлены возникновения сил упругости и сил трения, о которых мы говорили при изучении механики.

Взаимодействие атомов и молекул, которое мы рассматривали при изучении молекулярно-кинетической теории, также является электромагнитным. Электромагнитное взаимодействие определяет свойства веществ в различных агрегатных состояниях и их химические превращения. Оно же ответственно за обмен веществ в человеческом организме.

Раздел физики, в котором изучают свойства и закономерности поведения электромагнитного поля, с помощью которого осуществляется взаимодействие между электрически заряженными телами или частицами, называется электродинамикой.

Считается, что термин «электродинамика» ввёл в физику французский учёный Андре Мари Ампер в 1822 г. Хотя электрические явления известны человеку ещё с глубокой древности. Например, ещё в VII в. до н. э. в Древней Греции знаменитый Фалес Милетский обнаружил, что янтарная палочка, потёртая о шерсть, способна притягивать к себе лёгкие предметы.

В XVI веке Уильям Гильберт обнаружил, что свойством притягивать лёгкие предметы обладает не только янтарь, но и многие другие тела, предварительно натёртые кожей или другими мягкими материалами. Это явление он назвал электризацией (так как янтарь по-гречески звучит как, электрон).

О телах, способных к таким взаимодействиям, говорят, что они электрически заряжены, то есть им сообщён электрический заряд.

А теперь давайте подумаем, что означают слова: тело или частица обладает электрическим зарядом? Чтобы ответить на этот вопрос, обратимся к истории. Итак, ещё в 1881 году знакомый нам немецкий физик Герман Гельмгольц высказал гипотезу, объясняющую электрические явления существованием электрически заряженных элементарных частиц.

Под элементарными частицами мы с вами будем понимать мельчайшие неделимые на более простые частицы, из которых построены все тела.

Гипотеза Гельмгольца была подтверждена спустя 16 лет английским физиком Уильямом Томсоном, после открытия им электрона. А также Эрнестом Резерфордом, который в 1919 году открыл протон, заряд которого с точностью до 10–20 равен модулю заряда электрона, хотя его масса в 1836 раз больше.

Многие элементарные частицы, хотя и не все, обладают способностью взаимодействовать друг с другом с силой, которая подобно гравитационным силам убывает обратно пропорционально квадрату расстояния, но эта сила во много раз превосходит силу тяготения. Например, между протоном и электроном в атоме водорода эта сила примерно в 1039 раз больше силы их гравитационного взаимодействия.

Поэтому принято считать, что если частицы взаимодействуют друг с другом с силами, которые убывают с увеличением расстояния так же, как и силы всемирного тяготения, но превышают последние во много раз, то говорят, что эти частицы имеют электрический заряд. А сами частицы называются заряженными.

Важно запомнить, что частица может и не обладать электрическим зарядом. А вот электрического заряда без частицы не существует.

Подобно тому, как масса определяет интенсивность гравитационного взаимодействия, электрический заряд является количественной мерой способности тел к электромагнитным взаимодействиям.

Чаще всего обозначать электрический заряд мы с вами будем малой латинской буквой q, а измерять — в кулонах (Кл).

1 Кл — это электрический заряд, проходящий через поперечное сечение проводника за 1 с при силе постоянного тока 1 А.

Один кулон — это очень большая единица заряда. Расчёты показывают, что диаметр уединённого металлического шара, находящегося в сухом воздухе, должен быть равен примерно 110 м, чтобы на нём мог находиться избыточный заряд в 1 Кл. Но при этом при включении автомобильных фар через поперечное сечение проводников, подсоединённых к фарам, проходит заряд приблизительно в 10 Кл.

В 1729 году французский учёный Шарль Франсуа Дюфе проведя серию экспериментов установил, что в природе существует два рода зарядов. Один образуется при трении стекла о шёлк, а другой — смолы о шерсть. Поэтому Дюфе назвал заряды «стеклянным» и «смоляным» соответственно.

В 1747 году американский учёный Бенджамин Франклин (кстати, это единственный не президент, изображённый на денежных банкнотах США) ввёл понятие положительного и отрицательного заряда, соответственно заряда, приобретённого стеклянной палочкой, потёртой о шёлк, и заряда, полученного на янтаре, потёртым о мех.

В последствии было установлено, что носителями положительных зарядов являются протоны, входящие в состав всех атомных ядер. А носителями отрицательных зарядов являются электроны, входящие в состав всех атомов.

Из курса физики средней школы вы знаете, что электрическое взаимодействие проявляется в том, что одноимённо заряженные тела (или частицы) отталкивают друг друга, а разноимённо — притягиваются.

На этом явлении основан принцип действия простейшего электроскопа — прибора, при помощи которого выясняют, наэлектризовано тело или нет.

Напомним, что электроскоп состоит из металлического стержня, к концу которого прикреплены две тонкие бумажные полоски. Стержень с бумажными листочками вставляется в металлическую оправу, застеклённую с обеих сторон. Чтобы стержень не касался оправы, его пропускают через пластмассовую пробку. Если дотронуться заряженным телом до стержня электроскопа, то бумажные листочки оттолкнутся друг от друга.

Более совершенным прибором является электрометр. Сообщённый шарику, а через него стержню и стрелке заряд (любого знака) вызывает отталкивание стрелки от заряженного стержня. Нижний конец стрелки перемещается при этом по шкале. А металлический корпус позволяет использовать прибор и для более сложных измерений. Например, при помощи электрометра можно доказать, что при электризации трением оба тела, приобретают равные по модулю, но противоположные по знаку заряды. Покажем это. Возьмём электрометр, на который сверху надет полый металлический шар. Наэлектризуем трением друг о друга две пластинки — эбонитовую и плексигласовую.

Внесём сначала одну из них внутрь полого шара электрометра и убедимся, что он зарядился. Снимем заряд с электрометра, прикоснувшись к нему рукой, и внесём внутрь шара вторую пластинку. Стрелка электрометра отклонилась на такой же угол, что и в прошлый раз. Это убеждает нас в том, что каждая из пластинок действительно заряжается при трении друг о друга. А теперь внесём внутрь шара одновременно обе заряженные пластинки — электрометр не обнаруживает заряда — его стрелка не отклоняется.

Данный опыт позволяет нам ещё раз убедиться не только в том, что при электризации тела приобретают заряды противоположных знаков, но и в том, что эти заряды равны по модулю. При этом, что важно, при электризации новые носители зарядов не возникают, а существовавшие ранее — не исчезают. Происходит лишь перераспределение зарядов в телах, которые до этого были нейтральными. Заряд на внесённой в электрометр пластинке, притягивает к себе разноимённый и отталкивает одноимённый заряд на стержне и стрелке прибора, что и объясняет появление заряда.

Серия похожих опытов позволили одному из основателей электродинамики Майклу Фарадею в 1838 году сделать один очень важный для своего времени вывод: «Невозможно ни создать; ни уничтожить одну из электрических сил без равного и соответствующего изменения другой». Такой была первая формулировка одного из фундаментальных законов природы — закона сохранения электрического заряда.

Обратите внимание, что Фарадей говорит не о сохранении заряда, а о сохранении силы, так как ему было неизвестно, как электрические заряды связаны с атомами вещества (ведь существование электрона и протона, было осуществлено гораздо позднее). Поэтому он исходил из философской концепции взаимной превращаемости сил природы и сохранения сил при их превращении. Электрический заряд он понимает, как источник электрической силы.

Строгая формулировка закона сохранения электрического заряда возникла только после открытия факта взаимной превращаемости элементарных частиц материи: в электрически изолированной системе тел алгебраическая сумма зарядов всех тел остаётся постоянной:

Обратите внимание на то, что выполняется закон сохранения заряда только для электрически изолированных систем, которые не обменивается электрически заряженными частицами с внешними телами. Интересно, но причина, по которой выполняется закон сохранения электрического заряда до сих пор не ясна.

А теперь давайте проведём с вами такой опыт. Возьмём заряженный электрометр и с помощью проводника соединим его с точно таким же незаряженным электрометром. Нетрудно заметить, что ровно половина заряда перешла с первого электрометра на второй. Теперь разрядим второй электрометр, коснувшись рукой и вновь присоединим его к первому, на котором осталась половина первоначального заряда.

Отклонившиеся, но уже на меньший угол, стрелки опять показывают присутствие заряда на обоих приборах. Только на каждом из них теперь лишь по четверти первоначального заряда. Очевидно, что, продолжая подобное деление, можно получить одну восьмую, одну шестнадцатую и так далее части начального заряда. Из истории физики известно, что уже более ста лет назад учёные умели делить заряд. Но самым важным для них было выяснить: существует ли в природе наименьший заряд, то есть такой, который разделить уже невозможно?

Опыты, позволившие найти «наименьшую порцию электричества», то есть элементарный заряд, были проведены одновременно в 1910—1913 годах американцем Робертом Милликеном и российским физиком Абрамом Фёдоровичем Иоффе.

В их опытах заряженная очень малая капелька масла (в опытах Милликена) и пылинка цинка (в опытах Иоффе) «зависала» между заряженными пластинами. Электрическая сила, компенсирующая силу тяжести, зависела от заряда капельки или пылинки, что позволило учёным судить о значении этого заряда. В обоих опытах были получены одинаковые результаты: заряд не мог принимать любое значение и всегда был кратен одному и тому же числу — заряду электрона. Так как этот заряд дальше уже не делился, то его и назвали элементарным зарядом, модуль которого равен модулю заряда электрона.

е = 1,6 · 10–19 Кл.

Таким образом, любой электрический заряд дискретен, то есть он может быть больше заряда электрона только в целое число раз:

q = е (NрNе) = Ne.

4106

Комментарии 0

Чтобы добавить комментарий зарегистрируйтесь или на сайт