Підручник Фізика 8 клас - М. I. Шут - Перун 2016 рік

ЧАСТИНА II ЕЛЕКТРИЧНІ ЯВИЩА ЕЛЕКТРИЧНИЙ СТРУМ

Розділ 4. ЕЛЕКТРИЧНІ ЯВИЩА

§ 26. ЗАКОН КУЛОНА

1. Крутильні терези — прилад для дослідження взаємодії заряджених тіл. Перші кількісні експериментальні дослідження електричних явищ почались лише в кінці XVII століття. До того часу фізика не існувало приладів, за допомоги яких можна було б виміряти електричну силу.

В 1785 році французький фізик Шарль Кулон, який цікавився виготовленням різних фізичних приладів, сконструював дуже чутливий прилад для вимірювання сили - крутильні терези і за їх допомогою дослідив взаємодію заряджених тіл.

Розглянемо, як побудовані і як діють крутильні терези.

Основною частиною приладу (рис. 104) є пружна металева нитка Н, що з’єднана одним кінцем з поворотною головкою Г, за шкалою якої можна визначати кут закручування нитки. До другого кінця нитки прикріплено легке коромисло К, виготовлене з ізолятору (зокрема, скла). На кінцях коромисла закріплені металева кулька А і противага (для зрівноваження коромисла). Для перешкоджання повітряним потокам чутлива частина приладу вміщена у скляний циліндр Ц, на якому нанесено шкалу. Через отвір у кришці циліндру всередину приладу можна вносити металеву кульку В на ізолюючому стержні для зарядження кульки А.

Якщо зарядженою кулькою В торкнутись до кульки А, то кулька А зарядиться і вони відштовхнуться одна від одної. При цьому коромисло повернеться і закрутить нитку. За кутом закручування нитки можна визначити силу взаємодії кульок.

Шарль Кулон (1736-1806) французький фізик

Виконавши за допомогою крутильних терезів велику кількість дослідів, Кулон встановив, що сила взаємодії заряджених кульок обернено пропорційна до квадрату відстані між ними (F ~ )

Але для остаточного встановлення закону взаємодії заряджених тіл необхідно було ще визначити, як залежить сила взаємодії тіл від величини зарядів, які на них знаходяться. Дослідне визначення такої залежності виявилось складним, оскільки невідомими були величини зарядів на кульках.

Для усунення цього ускладнення слід врахувати, що при дотиканні провідної зарядженої кульки до такої ж за розмірами незарядженої кульки заряди розподіляються між ними порівну.

Отже, якщо до зарядженої кульки А піднести таку саму незаряджену кульку, то заряд на кульці А зменшиться вдвічі. Відповідно зміниться і сила взаємодії між кульками А і В. Аналогічно можна змінити заряд на кульці А в 4, 8 тощо разів і знову виміряти силу взаємодії між кульками А і В.

Змінюючи заряди кульок, Кулон встановив, що сила їх взаємодії прямо пропорційна добутку зарядів (F ~ q1q2).

2. Закон Кулона. Узагальнюючи одержані експериментальні результати, Кулон встановив закон взаємодії електричних зарядів який одержав назву закону Кулона. Закон Кулона є основним законом електростатики.

Рис. 104. Крутильні терези

Сформулюємо цей закон.

Сила взаємодії двох точкових нерухомих зарядів у вакуумі прямо пропорційна добутку модулів цих зарядів і обернено пропорційна квадрату відстані між ними:

де q1і q2 - модулі зарядів; r - відстань між зарядами; k - коефіцієнт пропорційності.

Коефіцієнт пропорційності

де 0 - електрична стала, яка в системі

СІ має значення:

0 = 8,85 ∙ 10-12

Якщо розглядається взаємодія двох точкових зарядів у вакуумі (або повітрі), то коефіцієнт k = 9 ∙ 109 (Н ∙ м2)/Кл.

3. Як впливає середовище на силу взаємодії електричних зарядів? На практиці заряджені тіла взаємодіють на лише у вакуумі або повітрі, але й у інших непровідних середовищах (гасі, воді тощо). В цьому випадку взаємодії електричних зарядів зменшується, оскільки середовище здійснює певний вплив на цю взаємодію. Кількісно вплив середовища на взаємодію зарядів можна оцінити, якщо порівняти сили їх взаємодії у вакуумі і середовищі. Відношення цих сил називають відносною

Заряди називаються точковими, якщо розміри тіл, на яких вони зосереджені, набагато менші від відстаней між цими тілами.

Два припущення, за яких виконується, закон Кулона.

По-перше, закон Кулона має місце лише для точкових зарядів. По-друге, закон Кулона стосується взаємодії лише нерухомих зарядів.

діелектричною проникністю середовища. Відносна діелектрична проникність середовища вказує, в скільки разів сила взаємодії точкових зарядів у вакуумі більша, ніж сила їх взаємодії в середовищі:

=

Відносна діелектрична проникність середовища є величиною безрозмірною і завжди більша від одиниці. Значення діелектричної проникності середовища визначається з таблиць. У таблиці 1 наведено значення відносної діелектричної проникності деяких речовин

Таблиця 1. Відносна діелектрична проникність речовин

Речовина

а

Вакуум

1

Вода

81

Гас

2

Гліцерин

39

Ебоніт

2,6

Повітря

1,0006

Сірка

4

Скло

5-10

Спирт

27

Отже, закон Кулона для взаємодії двох точкових зарядів у середовищі з діелектричною проникністю має такий вигляд:

Користуючись законом Кулона, можна одержати уявлення про величину заряду в 1 Кл. Якщо розрахувати силу взаємодії двох зарядів по 1 Кл кожний, які знаходяться в повітрі на відстані 1 м, то виявиться, що вони діють один на одного з силою в дев'ять тисяч мільйонів ньютон. Отже, 1 кулон - це дуже великий заряд. Навіть заряд Землі є набагато меншим.

Із історії фізики: вчені і факти

Шарль Огюстен де Кулон - видатний французький інженер і фізик, член Паризької академії наук. Експериментальні дослідження Кулона здійснили величезний вплив на становлення і розвиток учення про електрику і магнетизм. Але електростатика була не єдиним науковим захопленням Кулона. Він досліджував також тертя та деформації і визначив закономірності кручення пружних ниток, що відіграло важливу роль при встановленні закону взаємодії зарядів за допомогою крутильних терезів. Кулон виявляв також інтерес до математики і астрономії. В одній із своїх наукових праць він докладно описав рух комети та місячне затемнення, за якими спостерігав.

Подумайте і дайте відповідь

1. Чому кількісні дослідження електричної взаємодії розпочались лише в кінці XVIII століття?

2. Які заряди називаються точковими?

3. Опишіть будову крутильних терезів і поясніть суть дослідів Кулона.

4. Як формулюється закон Кулона? Запишіть формулу цього закону.

5. Для яких зарядів виконується закон Кулона?

6. Визначте межу застосування закону Кулона.

7. Як записується закон Кулона для взаємодії зарядів у непровідному середовищі? У чому полягає зміст діелектричної проникності середовища?

8. Чому сила взаємодії двох точкових зарядів у вакуумі завжди більша, ніж у будь-якому середовищі?

СИСТЕМАТИЗУЙТЕ ЗНАННЯ З РОЗДІЛУ 4.

► Причина всіх електричних явищ полягає в тому, що в природі існують два роди електричних зарядів - позитивні і негативні. Носієм елементарного позитивного заряду є протон, негативного - електрон. Заряд будь-якого тіла є кратним до елементарного заряду. Для виявлення на тілах електричного заряду застосовується електроскоп.

► Тіла набувають електричних властивостей внаслідок електризації. Існують три види електризації тіл: через тертя, через дотик, через вплив. Між наелектризованими тілами відбувається електрична взаємодія.

► Згідно ядерної (планетарної) теорії будови атома Резерфорда атом містить позитивно заряджене ядро та негативно заряджені електрони, які обертаються навколо ядра. По кожній орбіті рухається один електрон. Ядро складається з нуклонів: позитивно заряджених протонів та електрично нейтральних нейтронів.

► Під дією зовнішніх впливів нейтральний атом може втратити один чи кілька електронів (при цьому він перетворюється на позитивний іон) або набути надлишкових електронів (при цьому він перетворюється на негативний іон).

► Одним з найголовніших законів природи є закон збереження електричного заряду, який виконується лише для замкнених електричних систем.

► Залежно від здатності речовин щодо переміщення електричних зарядів розрізняють провідники і діелектрики (ізолятори). В провідниках носіями електричного заряду є вільні електрони. В діелектриках вільних електронів немає, тому заряди вздовж діелектрика не переміщуються.

► Сучасна фізика ґрунтується на теорії близькодії, згідно якої матеріальним носієм взаємодії зарядів (або заряджених тіл) є електричне поле. Електричне поле існує незалежно від нашої свідомості. Для дослідження електричного поля використовується пробний заряд, який не спотворює досліджуваного поля.

► Основною ознакою наявності електричного поля є електрична сила, яка діє на заряд або заряджене тіло, що внесені в це поле.

► Силовою характеристикою електричного поля є напруженість електричного поля Е. Електричне поле зображується за допомогою силових ліній (або ліній напруженості). За щільністю розташування

Розв’яжіть задачі та оцініть результати

Вправа 26.

1. Як зміниться сила взаємодії між двома точковими зарядами, якщо величину кожного заряду збільшити в 4 рази, а відстань між зарядами зменшити вдвічі?

2. Два однакових за величиною і знаком точкових заряди, які знаходяться в вакуумі на відстані 3 м один від одного, відштовхуються з силою 0,4 Н. Визначте величину зарядів.

3. Два заряди, один з яких в 3 рази більший від іншого, знаходяться в вакуумі на відстані 30 см один від одного і взаємодіють з силою 30 Н. Визначте величини зарядів.

4. Користуючись даними попередньої задачі, визначте, на якій відстані у воді ті ж самі заряди будуть взаємодіяти з такою самою силою. Значення діелектричної проникності води наведено у таблиці 1.

5. Ви вже знаєте, що два заряди по 1 Кл кожний, які знаходяться на відстані 1м у вакуумі (повітрі), діють один на одного з силою 9 . 109 Н. Визначте, з якою силою будуть взаємодіяти ці заряди у спирті на такій самій відстані. Порівняйте значення сил взаємодії зарядів у повітрі і спирті. Зробіть висновок щодо впливу середовища на силу взаємодії зарядів. Значення діелектричної проникності спирту наведено у таблиці 1.

6. З якою силою взаємодіятимуть на відстані 0,5 м у вакуумі дві металеві кулі, кожна з яких містить 5 ∙ 105 надлишкових електронів?

7. Дві кульки, розміщені в повітрі на відстані 20 см одна від одної, мають однакові негативні заряди і взаємодіють між собою із силою 5,76 ∙ 10-7 Н. Скількома електронами створений заряд кожної кульки?

силових ліній можна оцінити величину електричного поля.

► Поля, які створюються нерухомими зарядами і не змінюються часом у називаються електростатичними.

► В електричному полі завжди запасена енергія, яка називається енергією електричного поля.

► Основним законом електростатики є закон Кулона, який визначає силу електричної взаємодії двох точкових зарядів у вакуумі або в середовищі з певною діелектричною проникністю е.





Відвідайте наш новий сайт - Матеріали для Нової української школи - планування, розробки уроків, дидактичні та методичні матеріали, підручники та зошити