Elektrizaciya-tel-i-Zakon-Kulona

1.

Электризация тел и Закон
Кулона

2.

Что такое электризация тел?
Электризация – это фундаментальный физический процесс, при котором изначально нейтральные тела приобретают электрический заряд. Это
явление лежит в основе множества природных процессов и технологических применений, от молний до работы электронных устройств. Когда
два тела вступают в контакт и затем разделяются, происходит перераспределение электронов, в результате чего одно тело приобретает избыток
электронов (отрицательный заряд), а другое – их недостаток (положительный заряд).
1
2
Пример Электризации
Закон Сохранения Заряда
Рассмотрим классический пример: натирание стеклянной
Этот процесс подчинён одному из ключевых законов физики –
палочки шёлком. В процессе трения электроны переходят от
закону сохранения электрического заряда. Он гласит, что в любой
стеклянной палочки к шёлку. В результате, стеклянная палочка
замкнутой системе алгебраическая сумма электрических зарядов
приобретает положительный заряд (недостаток электронов), а
остаётся постоянной. Это означает, что заряд не может быть
шёлк – равный по величине отрицательный заряд (избыток
создан или уничтожен, он лишь перераспределяется между
электронов).
телами. Именно поэтому при электризации одно тело заряжается
положительно, а другое – отрицательно, и их суммарный заряд
остаётся нулевым, если они изначально были нейтральными.

3.

Исторические Корни
Электростатики
Первые наблюдения статического электричества уходят корнями в глубокую
древность. Около 600 года до нашей эры древнегреческий философ Фалес
Милетский заметил удивительное свойство янтаря: после натирания кошачьей
шерстью или другими материалами он начинал притягивать легкие предметы,
такие как перья или сухие листья. Это было одно из самых ранних
задокументированных свидетельств электрических явлений, хотя тогда еще не
существовало научного понимания этого феномена.
Это наблюдение стало отправной точкой для многовекового изучения
электричества, которое в конечном итоге привело к созданию современной
электротехники и электроники.

4.

Закон Кулона: Открытие и Суть
В 1785 году французский физик Шарль Огюстен де Кулон впервые экспериментально установил количественный закон взаимодействия
электрических зарядов. Используя изобретенные им крутильные весы, Кулон смог измерить силы притяжения и отталкивания между
небольшими заряженными шариками и доказать зависимость этой силы от величины зарядов и расстояния между ними.
Пропорциональность Зарядам
Обратная Зависимость от
Расстояния
Притяжение и Отталкивание
точечными зарядами \(q_1\) и \(q_2\)
Сила взаимодействия \(F\) обратно
взаимодействия: одноимённые заряды
прямо пропорциональна произведению
пропорциональна квадрату расстояния
(например, два положительных или два
абсолютных значений этих зарядов. Чем
\(r\) между центрами зарядов. Это
отрицательных) отталкиваются друг от
больше заряды, тем сильнее они
означает, что с увеличением расстояния
друга, тогда как разноимённые заряды
взаимодействуют.
сила взаимодействия резко ослабевает.
(положительный и отрицательный)
Сила взаимодействия \(F\) между двумя
Закон Кулона также описывает характер
притягиваются.

5.

Математическая Формулировка Закона Кулона
Закон Кулона может быть выражен как в скалярной, так и в векторной форме, что позволяет точно описывать как величину, так и направление силы
взаимодействия между зарядами.
Скалярная Форма
Векторная Форма
Векторная форма закона Кулона учитывает направление силы. Если \(
\vec{r}_{12} \) — вектор, идущий от заряда \(q_1\) к заряду \(q_2\), то
сила, действующая на заряд \(q_2\) со стороны \(q_1\), может быть
Где:
записана как:
F — модуль силы взаимодействия (в Ньютонах, Н)
\(q_1\), \(q_2\) — величины взаимодействующих зарядов (в Кулонах,
Кл)
r — расстояние между центрами зарядов (в метрах, м)
k — коэффициент пропорциональности, который в вакууме или
Или, более часто:
воздухе равен примерно \(9 \times 10^9 \, \text{Н·м}^2/\text{Кл}^2\)
Где \( \hat{r}_{12} \) — единичный вектор, направленный от \(q_1\) к
\(q_2\). Эта форма явно показывает, что сила направлена вдоль прямой,
соединяющей заряды, и её направление зависит от знаков зарядов: если
заряды одноимённые, сила отталкивания, если разноимённые – сила
притяжения.

6.

Принцип Суперпозиции Электрических Полей
Принцип суперпозиции является краеугольным камнем в электростатике, позволяя анализировать взаимодействие между множеством зарядов.
Этот принцип гласит, что если на данный заряд действует несколько других зарядов, то результирующая сила, действующая на этот заряд, равна
векторной сумме сил, действующих на него со стороны каждого из других зарядов в отдельности. При этом взаимодействие между любыми
двумя зарядами не зависит от наличия других зарядов.
Расчет Сложных Систем
Применение в Электростатике
Принцип суперпозиции чрезвычайно полезен для расчета сил в
Этот принцип позволяет нам вычислять электрические поля и
сложных конфигурациях зарядов. Вместо того чтобы пытаться
потенциалы, создаваемые произвольными распределениями
найти одну общую формулу для всех взаимодействий, мы
зарядов, будь то дискретные точечные заряды или
можем разбить задачу на более простые части, рассчитать силу
непрерывные заряженные объекты. Он является основой для
от каждой пары зарядов, а затем векторно сложить все
понимания работы многих электрических устройств и явлений.
полученные силы.

7.

Закон Кулона и Закон Всемирного Тяготения: Сравнение
Хотя закон Кулона и закон всемирного тяготения описывают силы, действующие на расстоянии, и имеют схожую математическую форму, между ними существуют
принципиальные различия, которые делают электростатические силы уникальными и гораздо более мощными в микромире.
Закон Кулона (Электростатические Силы)
Притяжение и Отталкивание: Электростатические силы могут быть как
силами притяжения (между разноимёнными зарядами), так и силами
Закон Всемирного Тяготения (Гравитационные
Силы)
отталкивания (между одноимёнными зарядами).
Значительная Сила: Эти силы чрезвычайно велики. Электростатическая
Только Притяжение: Гравитационные силы всегда являются силами
притяжения между массами. Они никогда не отталкиваются.
Слабая Сила: Гравитационные силы очень слабы в масштабе элементарных
сила между двумя электронами в атоме в миллионы раз превышает
частиц и атомов. Они становятся заметными только при взаимодействии
гравитационную силу между ними.
массивных объектов, таких как планеты и звезды.
Зависимость от Среды: Электростатические силы зависят от свойств среды
(диэлектрической проницаемости), в которой находятся заряды.
Независимость от Среды: Гравитационные силы не зависят от среды, в
которой находятся массы.
Эти различия подчёркивают, почему электрические взаимодействия доминируют в микромире, определяя структуру атомов, молекул и химические реакции,
тогда как гравитация управляет движением небесных тел в макромире.

8.

Практический Пример: Электризация Шариков на Нитях
Один из наглядных экспериментов, демонстрирующих действие закона Кулона, – это наблюдение за поведением двух лёгких, одинаково заряженных шариков,
подвешенных на непроводящих нитях к одной точке. Этот простой опыт позволяет визуализировать силы электростатического отталкивания и даже количественно
оценить их.
01
02
Начальное Состояние
Электризация
Если шарики не заряжены, они висят вертикально вниз под действием силы
После того как шарикам сообщают одинаковый по знаку электрический заряд
тяжести, касаясь друг друга или находясь на минимальном расстоянии.
(например, положительный), между ними возникает сила электростатического
отталкивания согласно закону Кулона.
03
04
Отклонение Нитей
Анализ и Измерения
Под действием этой силы отталкивания шарики расходятся, и нити отклоняются
Измеряя угол отклонения \( \alpha \), массу шариков и длину нитей, можно с
друг от друга на некоторый угол \( \alpha \). Это происходит потому, что
помощью тригонометрии и уравнений равновесия определить величину силы
кулоновская сила горизонтально отталкивает шарики, а сила тяжести тянет их
электростатического взаимодействия \(F\). Зная расстояние между шариками,
вниз, и устанавливается равновесие между этими силами.
можно, в свою очередь, вычислить величину зарядов на шариках или, если заряды
известны, определить диэлектрическую проницаемость среды, в которой
проводится эксперимент. Этот эксперимент часто используется в лабораторных
работах для подтверждения закона Кулона.

9.

Закон Сохранения Электрического Заряда При Электризации
Закон сохранения электрического заряда является одним из фундаментальных принципов физики и имеет огромное значение для понимания всех электрических
явлений. Он особенно наглядно проявляется в процессе электризации тел.
Создание Противоположных Зарядов
Равенство Зарядов по Величине
Неизменность Суммарного Заряда
Важно отметить, что абсолютные величины этих
Суммарный электрический заряд замкнутой
Когда два изначально нейтральных тела
зарядов всегда равны. То есть, сколько
системы, состоящей из этих двух тел, остаётся
электризуются (например, путем трения), они
отрицательного заряда приобрело одно тело,
неизменным. Если изначально система была
приобретают заряды. Однако эти заряды всегда
столько же положительного заряда появилось на
электрически нейтральна (сумма зарядов равна
имеют противоположные знаки: одно тело
другом теле (за счёт потери электронов).
нулю), то и после электризации сумма зарядов
становится положительно заряженным, а другое
Например, если стеклянная палочка при трении о
всех тел в этой системе по-прежнему будет равна
– отрицательно заряженным. Это обусловлено
шёлк приобретает заряд +5 нКл, то шёлк
нулю.
перераспределением электронов – элементарных
приобретает заряд -5 нКл.
частиц, несущих отрицательный заряд.
Этот закон не только подтверждает невозможность создания или уничтожения заряда, но и подчеркивает, что электризация – это процесс разделения зарядов, а не их
возникновения "из ниоткуда".

10.

Итоги и Значение Закона Кулона
Закон Кулона является одним из самых фундаментальных законов физики, лежащим в основе всего электромагнетизма. Его открытие стало революционным
шагом в понимании природы электрических взаимодействий и проложило путь для развития современной электротехники и электроники.
Основа Электромагнетизма
Фундамент Электростатики
Закон Кулона — это базовый принцип, на котором
строится вся электростатика, описывающая
взаимодействие неподвижных электрических
зарядов.
Он является отправной точкой для более сложных
теорий электромагнетизма, включая уравнения
Максвелла, которые описывают электрические и
магнитные поля.
Расчет Сил и Полей
Позволяет точно рассчитывать силы
взаимодействия между зарядами и создавать
математические модели электрических полей.
Ключ к Науке и Технике
Закон Кулона — неотъемлемая часть современного
научного и инженерного образования, обеспечивая
глубокое понимание окружающего нас мира.
Технологические Применения
Его понимание критически важно для разработки и
функционирования бесчисленных технологий: от
микрочипов и полупроводников до
электродвигателей и генераторов.