конспект, план,. Конспект лекций Электрические заряды. Взаимодействие зарядов. Рух заряджених частинок у полі

• Название: Конспект лекций Электрические заряды. Взаимодействие зарядов. Рух заряджених частинок у полі
• Дата: 28.05.2018
• Размер: 483.31 Kb.
• Имя файла: конспект, план,.docx
• Тип: Конспект; #45186
• страница: 1 из 3

Конспект лекций

Электрические заряды. Взаимодействие зарядов. Рух заряджених частинок у полі.

Все тела живой и неживой природы построены из атомов, в состав которых входят заряженные частицы — электроны и протоны. Протоны вместе с нейтронами образуют положительно заряженное атомное ядро, удерживающее при себе оболочку из несущих отрицательный заряд электронов, обращающихся вокруг ядра. Электрические силы взаимодействия связывают ядро и электронную оболочку в единую систему — электрически нейтральный атом. Вследствие внешних воздействий некоторые атомы, входящие в состав тела, могут потерять по одному-два электрона, слабее других связанных с ядром, и превращаются в положительные ионы, а тело в целом приобретает положительный заряд. Накопление избыточного заряда в теле называется его электризацией. Тело электризуется положительно, если его атомы теряют электроны, и отрицательно, если тело принимает избыточные электроны извне.

Заряд тела может иметь значения, кратные заряду е электрона, называемому элементарным зарядом. Понятие точечные заряды обозначает заряженные тела или частицы, размеры которых малы в сравнении с интересующими нас расстояниями.

Опыт показывает, что в изолированной системе тел полный заряд сохраняется постоянным независимо от того, какие процессы происходят в этой системе. Это фундаментальное положение называется законом сохранения заряда. Из опыта получено следующее значение элементарного заряда:

е = 1,6  10^-19 Кл.

Сила взаимодействия двух точечных покоящихся зарядов q₁ и q₂, находящихся на расстоянии r, определяется законом Кулона (1785 г.):

,

где — электрическая постоянная, зависящая от выбора единиц,  — относительная диэлектрическая проницаемость (или просто диэлектрическая проницаемость) среды, в которой находятся взаимодействующие заряды (для вакуума  = 1);

— показывает во сколько раз сила взаимодействия F между зарядами в данной среде меньше силы взаимодействия F₀ в воздухе.
Силы взаимодействия между точечными зарядами направлены вдоль прямой, соединяющей заряды (центральные силы). Для разноименных зарядов это силы притяжения, а для одноименных — силы отталкивания. Кулоновские силы относятся к классу электромагнитных взаимодействий. Между движущимися зарядами существует также магнитное взаимодействие, которое тем более значительно, чем скорость движения ближе к скорости света с. Модуль заряда от скорости его движения не зависит.

При взаимодействии электронов и ядер в атомах основную роль играют именно кулоновские силы. Магнитное взаимодействие существенной роли в атоме не играет. А действие гравитационных сил в атомных системах вообще не учитывается, так как они в 10⁴² раз слабее кулоновских.
План-конспект практичного заняття «Электрические заряды. Взаимодействие зарядов. Рух заряджених частинок у полі»

Тема заняття: Электрические заряды. Взаимодействие зарядов.

Мета заняття:

• 
  навчальна: 
  

-ознайомити з електричними взаємодіями,

-роз'яснити фізичний зміст закону збереження заряду й закону Кулона,

-розвинути навички у вирішенні задач з теми,

-удосконалювати вміння в обчисленні задач.

• 
  розвиваюча:
  

-розвити спостережливість, уважність, поліпшити теоретичне мислення при вирішенні задач,

-формувати загальні та ключові компетенції,

-розвивати логіку, вміти планувати рішення при розв’язку завдань.

• 
  виховна:
  

-розвити самостійність, працьовитість та наполегливість,

- вплинути на відчуття самоконтролю у навчальній діяльності та здійснити моральне виховання.

Тип заняття: практичний розбір теми, вирішення задач.

Вид заняття: практичне.

Критерії досягнень студентів

Професійна компетентність		Розкриття здібностей	Соціально-особистісні якості
Засвоєння знань	Сформованість проіесійних умінь
Знати: основні терміни, фізичні величини, формули та алгоритми вирішення задач.	Вміти: застосовувати знання теоретичного матеріалу на практиці, виконувати математичні перетворення.	Раціонально використовувати навички та знання при вирішенні задач.	Розвивати працьовитість, наполегливість та самостійність.

Основні джерела інформації:

1. Кучерук І.М., Горбачук І.Т., Загальний курс фізики: у 3 т.: навч. Посіб. для студ. Вищ. Техн. І пед. Закл. освіти/ За ред. І.М. Кучерука. – К.: Техніка, 1999. –327 с.

План заняття

1.Організаційний етап.

Повідомлення теми заняття, мети та завдання, перевірка відвідуваності.

2.Етап актуалізації отриманих знань, умінь, навичок.

Основні формули та визначення

Електричний заряд – це невіддільна властивість деяких елементарних частинок.

До елементарних частинок відносяться такі мікрочастинки, для яких сучасними засобами фізики не можна доказати, що вони є об’єднаннями інших мікрочастинок. Відомо, що заряди бувають двох видів – позитивні й негативні. Носієм елементарного негативного заряду є електрон. Елементарним позитивним зарядом наділений протон. За абсолютною величиною елементарні заряди електрона й протона однакові. За одиницю електричного заряду прийнято кулон (Кл).

Один кулон – це електричний заряд, який проходить через поперечний переріз провідника при силі струму в один ампер за час в одну секунду

 1Кл = 1 А/с.

 Елементарний електричний заряд електрона або протона дорівнює | e | = 1,6 *10^-19 Кл.

Будь-який інший заряд є сукупністю елементарних зарядів

 q = ± N*e .

Електричні заряди можуть мати лише дискретні значення, кратні заряду електрона. Таку властивість зарядів називають квантуванням.

В довільних інерціальних системах заряд є інваріантним або незмінним.

Електричні заряди можуть зникати або виникати знову. Пояснити цей факт можна однаковим або різним числом зарядів різних знаків у системі, або їх взаємним перетворенням. Так відомо, що електрон і позитрон можуть анігілювати е + ₊е = 2g . 

В той же час гамма-кванти високих енергій (Е » 1,02Ме) - в полі ядерних сил, або кулонівському полі елементарних заряджених частинок здатні перетворюватись в електрон і позитрон: g = е + ₊е .

 Сумарний заряд електрично-ізольованої системи є величиною сталою. Це твердження є законом збереження електричного заряду. Всі основні властивості електричних зарядів знайдені дослідним шляхом. Серед них відмітимо такі: 

- однойменні заряди відштовхуються, різнойменні притягуються;

- величина заряду не залежить від системи відліку;

- дискретний характер заряду, тобто кратність до елементарного заряду;

- електричний заряд має властивість адитивності. Це означає, що заряд системи тіл дорівнює сумі зарядів всіх частинок , які входять в систему.

В електростатиці використовується фізична модель точкового джерела.

Точковим джерелом заряду називається заряджене тіло, форма й розміри якого в даних умовах не є суттєвими.

Перший кількісний закон взаємодій між елекрично-зарядженими тілами встановлено Шарлем Кулоном у 1780 році. Цей закон справедливий для точкових заряджених тіл. Кулон скористався крутильними терезами, спираючись при цьому на геніальну здогадку, що при контакті зарядженої кульки з незарядженою − заряд між ними розподілиться порівну. Таким чином Кулону вдалось легко поділити початковий заряд на нерухомій кульці в 2, 4, 8, 16 і т.д. разів.



Рис.1.0. Взаємодія зарядів.

Вимірюючи величину сили взаємодії між зарядами за кутом закручування пружної дротини, Ш. Кулон встановив кількісний закон: сили взаємодії двох точкових заряджених тіл прямо пропорційні добуткові величини їх зарядів, обернено пропорційні квадратові відстані між зарядами, залежать від природи середовища та напрямлені вздовж лінії центрів тіл:



де, k − коефіцієнт пропорційності, який залежить від вибору системи одиниць вимірювання та для системи СІ дорівнює  (тут ε₀ − має зміст діелектричної проникності вакууму, розмірність [ε₀]=[Кл²/(Н·м²]);   − одиничний вектор, напрямлений вздовж вектора  (рис.1);

ε − відносна діелектрична проникність середовища (це число, яке показує у скільки разів сила взаємодії двох точкових зарядів у даному середовищі менша, ніж у вакуумі).

Згідно з третім законом Ньютона сили з якими взаємодіють два точкових заряди, рівні за величиною і протилежні за напрямком

 _1,2 = - _2,1.

Діелектрична стала ε₀ відноситься до числа фундаментальних фізичних сталих. Її величина дорівнює 8,85ּ10^-12 Ф/м.

Якщо взаємодія двох точкових зарядів відбувається у ізотропному діелектричному середовищі, то закон Кулона матиме вигляд 

.

Відносна діелектрична проникність ε показує у скільки разів сила взаємодії між електричними зарядами в даному ізотропному діелектричному середовищі буде меншою від сили взаємодії між цими зарядами у вакуумі

,  

де F₀– сила взаємодії між двома точковими зарядами у вакуумі; F – сила взаємодії між цими зарядами в однорідному діелектричному середовищі. Відносна діелектрична проникність вакууму = 1.

Силы взаимодействия между точечными зарядами направлены вдоль прямой, соединяющей заряды (центральные силы). Для разноименных зарядов это силы притяжения, а для одноименных — силы отталкивания. Кулоновские силы относятся к классу электромагнитных взаимодействий. Между движущимися зарядами существует также магнитное взаимодействие, которое тем более значительно, чем скорость движения ближе к скорости света с. Модуль заряда от скорости его движения не зависит.

При взаимодействии электронов и ядер в атомах основную роль играют именно кулоновские силы. Магнитное взаимодействие существенной роли в атоме не играет. А действие гравитационных сил в атомных системах вообще не учитывается, так как они в 10⁴² раз слабее кулоновских.

Силовое взаимодействие между любыми телами не может происходить без участия материи. Заряженные частицы и тела, находясь на расстоянии, взаимодействуют друг с другом через посредство их электрических полей, которые представляют собой один из видов материи, существующий наряду с веществом. Поле неподвижных зарядов называется электростатическим.

Электрическое поле проявляет себя по силовому действию на заряды, например на положительный пробный заряд q (настолько малый, чтобы он не вызывал перераспределения зарядов в окружающих телах).

Силовой характеристикой поля является напряженность — векторная величина, равная отношению силы, действующей со стороны поля на помещенный в данную точку пробный заряд, к значению этого заряда:

.

Напряженность электрического поля выражается в ньютонах на кулон (Н/Кл). Следовательно, на заряд q, находящийся в точке поля с напряженностью , действует сила

. (1.1)

Векторы и совпадают по направлению при q > 0 и противоположны по направлению, если q < 0. Поле называется однородным, если напряженность поля во всех точках одинакова по модулю и направлению.

Выражение для модуля напряженности поля точечного заряда следует из закона Кулона и имеет вид:

.

Напряженность поля , создаваемого системой зарядов q₁, q₂, q₃, ..., на основе принципа независимости действия сил можно найти как векторную сумму напряженностей полей этих зарядов:

.

Это положение называется принципом суперпозиции и используется для расчета полей.

Рис. 1.1

Электрическое поле принято изображать графически с помощью линий напряженности, т.е. линий, касательная к которым в каждой точке совпадает с направлением вектора . Число линий напряженности, пронизывающих воображаемую единичную площадку, перпендикулярную этим линиям, выбирается равным модулю напряженности в данной точке. Линии напряженности электростатического поля начинаются на положительных и заканчиваются на отрицательных зарядах, нигде не замыкаются и не пересекаются. На рис. 1.1 линиями напряженности показана картина электрического поля диполя — двух одинаковых по модулю разноименных зарядов, расположенных на некотором расстоянии.

Потоком вектора напряженности через площадку dS называется произведение величины напряженности на площадь площадки и на косинус угла между вектором напряженности и нормалью к площадке.

. (1.2)

Рис. 1.2

Поток вектора напряженности — скалярная величина. Знак потока зависит от угла . Если угол  острый, то поток положительный.

Если силовая линия пересекает площадку и выходит из нее, то поток — положительный.

Заряд единицы площади поверхности называется поверхностной плотностью заряда

, [Кл/м²].

Поток вектора напряженности через конечную поверхность S равен поверхностному интегралу

,

где Е_п — проекция вектора на направление нормали .

Поток вектора электрического смещения через поверхность S равен

, ,

где D_n — проекция вектора на направление нормали .

Теорема Гаусса: Поток вектора напряженности через произвольную замкнутую поверхность S, внутри которой находятся n зарядов, равен алгебраической сумме этих зарядов, деленной на ₀

, (1.3)

или .

Применяя теорему Гаусса, можно рассчитать напряженность различных электрических полей. Например, напряженность поля, создаваемого бесконечной равномерно заряженной плоскостью равна

.