Сегодня: суббота, 7 мая 2016 г. Ларионов В.В. Тема: Заряд и его свойства, закон Кулона КУЛОН Шарль Огюстен (14.6.1736 – 23.8.1806) – (Couloumb) французский физик и военный инженер. Сформулировал законы трения, качения и скольжения. Установил законы упругого кручения. В 1765 г., построил прибор для измерения силы – крутильные весы. В 1765 году Кулон открыл закон, названный в последствии его именем. Раньше ожидали, этот закон должен быть похож на закон всемирного тяготения. Так оно и оказалось, только величина сил разная: если передать 1% электронов от одного человека к другому, то сила взаимодействия между ними на расстоянии вытянутой руки будет больше веса земного шара. (Ранее крутильные весы изобрел Кавендиш и на 10 лет раньше Кулона он Макроскопические носители зарядов. Кварки. Заряженные частицы и ионы, q=1,6*10-19Кл. m р 1,67 1027 кг mе = 9,1*10-31кг. 4πr2|ρ| Протон. 4πr2ρ r Нейтрон. 2 2 q dV 4r dr V 0 0,5 r 1 Рис. 1. r1 1,5 r+dr r,10-15м 0 0,5 1 1,5 r,10-15м Рис. 2. 7 Что такое заряд? Мы знаем только его структуру и свойства е 1,6 1019 Кл m р 1,67 1027 кг Непрерывное распределение элементарного заряда означает, что существует дробный заряд!!! 1. Дробный заряд назвали кварками (Гелл – Манн) и Дж. Цвейг (гипотеза 1964 г.) Из романа Дж. Джойса «Поминки по Финнегану», герою которого во сне слышались слова о таинственных трех кварках 1.Электрический заряд кварков дробный: плюс и минус две трети или одна треть от заряда электрона 2. В свободном состоянии кварки не существуют. Как реальности, кварки проявляют себя только в комбинациях по два или по три, т.е. в виде свободных элементарных частиц. 3. Из шести основных кварков строятся все элементарные частицы (мезоны, гипероны, адроны и т.д. 4. Некоторые тяжелые элементарные частицы состоят из трех одинаковых кварков (по массе и заряду), что противоречит принципу Паули. Для того чтобы на один уровень посадить 3 кварка вместо двух по принципу Паули, кварки окрасили в три различных цвета. Гелл-Манн и Цвейг придумали название для цвета кварков: красный, синий, зеленый. Родилась новая наука «Квантовая хромодинамика». Названия кварков: Нижний - d Прекрасный - b Верхний - u Очарованный - с Протон состоит: Странный - S Высший - t Нейтрон состоит: d u u d u d 2. Дискретность заряда Q=еN, где е – элементарный заряд, N – число зарядов Установлено Б.Франклином в 1752г.умозрительно, М. Фарадеем в 1834 г. в опытах по электролизу 3. Равенство зарядов Точность: Нейтральность отдельных атомов проверялась прямыми экспериментами – отклонением пучка нейтральных атомов в электростатических полях. 4. Инвариантность заряда υ электрона >> υ протона, также скорость электронов у разных атомов различна, Если бы заряд зависел от скорости, нейтральность не соблюдалась бы. В атоме гелия υe= 0.02c. В тяжелых атомах – 0,5с, но q=const, т.е. инвариантен! 5. Закон сохранения заряда S v Скорость изменения заряда в объёме. s jdЅ V + Сила тока через поверхность, ограничивающую объём. ρ – объемная плотность заряда, j - плотность тока Изменение заряда в некотором объёме может произойти только в результате втекания и вытекания заряда через замкнутую поверхность S ограничивающую объём (алгебраическая сумма электрически изолированного объема есть величина постоянная) Знак минус учитывает, что если + заряд внутри V уменьшается, то плотность тока направлена из объёма. Закон Кулона q1q2 F k 2 r 2 2 1 Н м Кл Ф 9 12 k 9 10 ; ε0 8,85 10 или 2 2 4πε0 Кл Нм м Принцип суперпозиции электрических полей В случае более двух зарядов закон Кулона следует дополнить установленным экспериментально фактом: действующая на заряд q сила есть векторная сумма кулоновских сил, действующих со стороны всех прочих зарядов qk. Этот факт называется «принципом суперпозиции» 1 qqk rk F F k 2 rk k 40 rk k Здесь rk – расстояние между зарядом q и qk. Введём понятие напряженности электрического поля - это сила, действующая на единичный положительный заряд. q k rk F E E k 2 q k 40 rk rk k где rk – радиус-вектор, проведенный от заряда qk в точку наблюдения R. Записанная формула для E позволяет рассчитать напряженность электрического системы неподвижных зарядов. поля любой Направление электрического поля совпадает с направлением силы, действующей на положительный заряд. E q + F + Величина Е измеряется в ньютонах на кулон (Н/Кл) или, что то же самое, в вольтах на метр (В/м). Электрические силовые линии Для наглядного изображения электрических полей используют понятие силовых линий. Это такая линия, направление касательной к которой в каждой точке совпадает с направлением вектора напряженности электрического поля Е в той же точке. Положительным направлением силовой линии условно считается направление вектора Е. Cиловые линии начинаются на положительных зарядах и заканчиваются на отрицательных (рис. ). Теорема Остроградского - Гаусса (ТОГ) Позволяет вычислить напряженность электрического поля симметричных систем зарядов 1 ФЕ EdS s 0 n qi S V + q i 1 E dS E Рассмотреть на практических занятиях !!!!!!!!! Электрический потенциал Вычислим работу по переносу заряда из одной точки электрического поля в другую. Работа против сил электрического поля равна интегралу по пути от исходной (а) и конечной (b) точек поля от произведения вектора силы F, на вектор перемещения dr: b A F, d r a a F dr b В случае перемещения единичного положительного заряда работа равна q r, d r A W E, d r 3 q 40 a r a b b q 40 rb q 40 ra Работа зависит только от положения тела в начале (а) и в конце (b) пути, но совершенно не зависит от траектории перемещения тела из точки а в точку b. В результате величина W может быть выражена в виде разности двух чисел φ(b) и φ(а) – потенциалов электрического поля в точках b и а: a b b q q W E, d r b a 40 rb 40 ra a Если исходную точку ra выбрать на бесконечности, то потенциал точечного заряда в произвольной точке r (r 0) будет равен. q x, y, z 40 r Практической единицей измерения потенциала в СИ является вольт, сокращенно В. Вольт – это разность потенциалов между такими точками, когда при перемещении одного кулона электричества из одной точки в другую электрическое поле совершает работу в один джоуль.