Взаимодействия заряженных тел. Электрический заряд. Закон сохранения электрического заряда.

Электростатика

Взаимодействия заряженных тел. Электрический заряд. Закон сохранения электрического заряда.

То, что мы имели воз­мож­ность про­на­блю­дать на опыте с при­тя­же­ни­ем бу­ма­жек к на­элек­три­зо­ван­ной па­лоч­ке, до­ка­зы­ва­ет на­ли­чие сил элек­три­че­ско­го вза­и­мо­дей­ствия, а ве­ли­чи­ну этих сил ха­рак­те­ри­зу­ет такое по­ня­тие, как заряд. То, что силы элек­три­че­ско­го вза­и­мо­дей­ствия могут быть раз­лич­ны­ми, легко про­ве­ря­ет­ся экс­пе­ри­мен­таль­ным путем, на­при­мер, при на­ти­ра­нии одной и той же па­лоч­ки с раз­лич­ной ин­тен­сив­но­стью. Элек­три­че­ский заряд – фи­зи­че­ская ве­ли­чи­на, ко­то­рая ха­рак­те­ри­зу­ет ве­ли­чи­ну вза­и­мо­дей­ствия за­ря­жен­ных тел. закон со­хра­не­ния элек­три­че­ско­го за­ря­да: в элек­три­че­ски за­мкну­той си­сте­ме ал­геб­ра­и­че­ская сумма за­ря­дов неиз­мен­на. Элек­три­че­ски за­мкну­тая си­сте­ма – это мо­дель. Это такая си­сте­ма, ко­то­рую не по­ки­да­ют и не по­пол­ня­ют элек­три­че­ские за­ря­ды.
История: Основание электростатики положили работы Кулона (хотя за десять лет до него такие же результаты, даже с ещё большей точностью, получил Кавендиш. Результаты работ Кавендиша хранились в семейном архиве и были опубликованы только спустя сто лет); найденный последним закон электрических взаимодействий дал возможность Грину, Гауссу и Пуассону создать изящную в математическом отношении теорию. Самую существенную часть электростатики составляет теория потенциала, созданная Грином и Гауссом. Очень много опытных исследований по электростатике было произведено Рисом^[1] книги которого составляли в прежнее время главное пособие при изучении этих явлений.

Опыты Фарадея, произведенные ещё в первую половину тридцатых годов XIX века, должны были повлечь за собой коренное изменение в основных положениях учения об электрических явлениях. Эти опыты указали, что то, что считалось совершенно пассивно относящимся к электричеству, а именно, изолирующие вещества или, как их назвал Фарадей, диэлектрики, имеет определяющее значение во всех электрических процессах и, в частности, в самой электризации проводников. Эти опыты обнаружили, что вещество изолирующего слоя между двумя поверхностями конденсатора играет важную роль в величине электроёмкости этого конденсатора.

Опыты с электролитами: 1. Если взять раствор медного купороса, собрать электрическую цепь и опустить электроды (графитовые стержни от карандаша) в раствор, то лампочка загориться. Есть ток!
Повторите опыт, заменив электрод, соединенный с минусом батарейки на алюминиевую пуговицу. Через какое-то время она станет «золотой», т.е. покроется слоем меди. Это – явление гальваностегии.

2. Нам понадобятся: стакан с крепким раствором поваренной соли, батарейка от карманного фонарика,
два кусочка медной проволоки длиной примерно 10 см. Зачистите концы проволоки мелкой наждачной шкуркой. Подсоедините к каждому полюсу батарейки по одному концу проволочек. Свободные концы проволочек опустите в стакан с раствором. Вблизи опущенных концов проволоки поднимаются пузырьки!

 

Закон Кулона

Закон Ку­ло­на: сила вза­и­мо­дей­ствия двух за­ря­жен­ных тел (сила Ку­ло­на или Ку­ло­но­ва сила) прямо про­пор­ци­о­наль­на про­из­ве­де­нию мо­ду­лей их за­ря­дов и об­рат­но про­пор­ци­о­наль­на квад­ра­ту рас­сто­я­ния между за­ря­да­ми.

В даль­ней­шем закон при­об­рёл сле­ду­ю­щий свой окон­ча­тель­ный вид:

История: Впервые исследовать экспериментально закон взаимодействия электрически заряженных тел предложил^[7] Г. В. Рихман в 1752—1753 гг. Он намеревался использовать для этого сконструированный им электрометр-«указатель». Осуществлению этого плана помешала трагическая гибель Рихмана.

В 1759 г. профессор физики Санкт-Петербургской академии наук Ф. Эпинус, занявший кафедру Рихмана после его гибели, впервые предположил^[8], что заряды должны взаимодействовать обратно пропорционально квадрату расстояния. В 1760 г. появилось краткое сообщение^[9] о том, что Д. Бернулли в Базеле установил квадратичный закон с помощью сконструированного им электрометра. В 1767 г. Пристли в своей «Истории электричества»^[10] отметил, что опыт Франклина, обнаружившего отсутствие электрического поля внутри заряженного металлического шара, может означать, что «сила электрического притяжения подчиняется тем же законам, что и сила тяжести, а следовательно, зависит от квадрата расстояния между зарядами» ^[11]. Шотландский физик Джон Робисон утверждал (1822), что в 1769 г. обнаружил, что шары с одинаковым электрическим зарядом отталкиваются с силой, обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними, и таким образом предвосхитил открытие закона Кулона (1785)^[12].

Примерно за 11 лет до Кулона, в 1771 г., закон взаимодействия зарядов был экспериментально открыт Г. Кавендишем, однако результат не был опубликован и долгое время (свыше 100 лет) оставался неизвестным. Рукописи Кавендиша были вручены Д. К. Максвеллу лишь в 1874 г одним из потомков Кавендиша на торжественном открытии Кавендишской лаборатории и опубликованы в 1879 г.^[13]

Сам Кулон занимался исследованием кручения нитей и изобрел крутильные весы. Он открыл свой закон, измеряя с помощью них силы взаимодействия заряженных шариков.

Крутильные весы: Крутильные весы — физический прибор, предназначенный для измерения малых сил или моментов сил. Были изобретены Шарлем Кулоном в 1777 году (по другим данным, в 1784) для изучения взаимодействия точечных электрических зарядов и магнитных полюсов.^[1] В простейшем варианте прибор состоит из вертикальной нити, на которой подвешен лёгкий уравновешенный рычаг.

Электродинамика

7. Электрическим током называют упорядоченное движение заряженных частиц или заряженных макроскопических тел. Различают два вида электрических токов – токи проводимости и конвекционные токи.

ЭЛЕКТРОМАГНЕТИЗМ

14.(Магнитное поле. Постоянные магниты и магнитное поле тока)

Магнитное поле — силовое поле, действующее на движущиеся электрические заряды и на тела, обладающие магнитным моментом, независимо от состояния их движения; магнитная составляющая электромагнитного поля.

Постоянные магниты имеют два полюса, названные северным и южным магнитными полями. Между этими полюсами магнитное поле располагается в виде замкнутых линий, направленных от северного полюса к южному. Магнитное поле постоянного магнита действует на металлические предметы и другие магниты.

Если поднести два магнита друг к другу одноименными полюсами, то они будут отталкиваться друг от друга. А если разноименными, то притягиваться. Магнитные линии разноименных зарядов при этом как бы замкнутся друг на друге.

Если же в поле магнита попадает металлический предмет, то магнит намагничивает его, и металлический предмет сам становится магнитом. Он притягивается своим противоположным полюсом к магниту, поэтому металлические тела как бы «прилипают» к магнитам.

Магнитное поле создается вокруг электрических зарядов при их движении. Так как движение электрических зарядов представляет собой электрический ток, то вокруг всякого про­водника с током всегда существует магнитное поле тока.

15.(Взаимодействие проводников с током. Сила Ампера)

Направление силы Ампера определяется по правилу левой руки:если левую руку расположить так, чтобы перпендикулярная составляющая вектора магнитной индукции В входила в ладонь, а четыре вытянутых пальца были направлены по направлению тока, то отогнутый на 90 градусов большой палец покажет направление силы, действующей на отрезок проводника с током, то есть силы Ампера.

Опыты Ньютона

Опыт по разложению белого света в спектр:

или

Ньютон направил луч солнечного света через маленькое отверстие на стеклянную призму.
Попадая на призму, луч преломлялся и давал на противоположной стене удлиненное изображение с радужным чередованием цветов – спектр.

КВАНТОВАЯ ОПТИКА.

Волновые и корпускулярные свойства света. Гипотеза Планка о квантах. Фотон.

И. Ньютон придерживался так называемой корпускулярной теории света, согласно которой свет – это поток частиц, идущих от источника во все стороны (перенос вещества).
На основе корпускулярной теории было трудно объяснить, почему световые пучки, пересекаясь в пространстве, никак не действуют друг на друга. Ведь световые частицы должны сталкиваться и рассеиваться.

Волновая же теория это легко объясняла. Волны, например на поверхности воды, свободно проходят друг сквозь друга, не оказывая взаимного влияния.

Однако прямолинейное распространение света, приводящее к образованию за предметами резких теней, трудно объяснить, исходя из волновой теории. При корпускулярной же теории прямолинейное распространение света является просто следствием закона инерции.

ипотеза Планка — является предположением того, что атомы испускают электромагнитную энергию (свет) отдельными порциями — квантами, а не непрерывно.

Энергия каждой порции является пропорциональной частоте излучения:

 

E = hv,

 

где h = 6,63 • 10^-34 Дж • с — является постоянной Планка,

v — является частотой света.

Фотон (γ) — является элементарной частицей, квантом электромагнитного излучения.

Испуская и поглощая свет, ведет себя на подобии потока частиц с энергией, которая зависит от частоты v:

 

E=hv,

 

где h — является постояннойПланка.

Энергию фотона зачастую выражают через циклическую частоту ω = 2kv, используя вместо h величину ћ (читается как «аш с чертой»), которая равна ћ = h/2π. Значит, энергию фотона можно выразить так:

 

Е = hv= ћω.

 

Исходя из теории относительности, энергия связана с массой соотношением Е = mс². Так как энергия фотона равняется hv, значит, его релятивистская масса m_p равняется:

Атомная и ядерная физика

33)Строение атома: планетарная модель и модель Бора. Квантовые постулаты Бора.

Поглощение и испускание света атомом. Квантование энергии.

Атомная и ядерная физика - раздел физики, изучающий строение атома и атомного ядра и процессы, связанные с ними.

Постулаты Бора: 1.Атом может находиться в особых квантовых стационарных состояниях, каждому из которых соответствует своя определенная энергия. В этих состояниях атом не излучает (и не поглощает) энергию.

2. При переходе атома из одного стационарного состояния в другое он по­глощает (или излучает) фотон с энергией hν n = Ек - Еn Ек, Еn — энер­гии стационарных состояний	поглощение	излучение
Таким образом квантовая теория объясняет линейчатость спектров

два постулата.

• 1. Атом может находиться только в особых, стационарных состояниях. Каждому состоянию соответствует определённое значение энергии — энергетический уровень. Находясь в стационарном состоянии, атом не излучает и не поглощает

Стационарным состояниям соответствуют стационарные орбиты, по которым движутся электроны. Номера стационарных орбит и энергетических уровней (начиная с первого) в общем случае обозначаются латинскими буквами: п, k и т. д. Радиусы орбит, как и энергии стационарных состояний, могут принимать не любые, а определённые дискретные значения. Первая орбита расположена ближе всех к ядру.

• 2. Излучение света происходит при переходе атома из стационарного состояния с большей энергией Е_к в стационарное состояние с меньшей энергией Е_n

Согласно закону сохранения энергии, энергия излучённого фотона равна разности энергий стационарных состояний:

hv = E_k - E_n.

Из этого уравнения следует, что атом может излучать свет только с частотами

Атом может также поглощать фотоны. При поглощении фотона атом переходит из стационарного состояния с меньшей энергией в стационарное состояние с большей энергией.Состояние атома, в котором все электроны находятся на стационарных орбитах с наименьшей возможной энергией, называется основным. Все другие состояния атома называются возбуждёнными.У атомов каждого химического элемента имеется свой характерный набор энергетических уровней. Поэтому переходу с более высокого энергетического уровня на более низкий будут соответствовать характерные линии в спектре испускания, отличные от линий в спектре другого элемента.Совпадение линий излучения и поглощения в спектрах атомов данного химического элемента объясняется тем, что частоты волн, соответствующих этим линиям в спектре, определяются одними и теми же энергетическими уровнями. Поэтому атомы могут поглощать свет только тех частот, которые они способны излучать.

Некоторые физические величины, относящиеся к микрообъектам, изменяются не непрерывно, а скачкообразно. О величинах, которые могут принимать только вполне определенные, то есть дискретные значения (латинское "дискретус" означает разделенный, прерывистый), говорят, что они квантуются.Электромагнитное излучение испускается в виде отдельных порций - квантов - энергии. Значение одного кванта энергии равно

Δ E = h ν,

где Δ E - энергия кванта, Дж; ν - частота, с-1; h - постоянная Планка (одна из фундаментальных постоянных природы), равная 6,626·10−34 Дж·с.
Кванты энергии впоследствии назвали фотонами. Идея о квантовании энергии позволила объяснить происхождение линейчатых атомных спектров, состоящих из набора линий, объединенных в серии.
водорода.

Бета-излучение

Бета-излучение — это электроны, которые значительно меньше альфа-частиц и могут проникать вглубь тела на несколько сантиметров. От него можно защититься тонким листом металла, оконным стеклом и даже обычной одеждой. Попадая на незащищенные участки тела, бета-излучение оказывает воздействие, как правило, на верхние слои кожи. Во время аварии на Чернобыльской АЭС в 1986 году пожарные получили ожоги кожи в результате очень сильного облучения бета-частицами. Если вещество, испускающее бета-частицы, попадет в организм, оно будет облучать внутренние ткани.

Гамма-излучение

Гамма-излучение — это фотоны, т.е. электромагнитная волна, несущая энергию. В воздухе оно может проходить большие расстояния, постепенно теряя энергию в результате столкновений с атомами среды. Интенсивное гамма-излучение, если от него не защититься, может повредить не только кожу, но и внутренние ткани. Плотные и тяжелые материалы, такие как железо и свинец, являются отличными барьерами на пути гамма-излучения.

Радиоактивный распад происходит в соответствии с так называемыми правилами смещения, позволяющими установить, какое ядро возникает в результате распада данного материнского ядра. Правила смещения;

для a-распада

, (256.4)

для b-распада

, (256.5)

где – материнское ядро, Y – символ дочернего ядра, – ядро гелия (a-частица), – символическое обозначение электрона (заряд его равен –1, а массовое число – нулю). Правила смещения являются ничем иным, как следствием двух законов, выполняющихся при радиоактивных распадах, – сохранения электрическою заряда и сохранения массового числа: сумма зарядов (массовых чисел) возникающих ядер и частиц равна заряду (массовому числу) исходного ядра.

Электростатика

Взаимодействия заряженных тел. Электрический заряд. Закон сохранения электрического заряда.

То, что мы имели воз­мож­ность про­на­блю­дать на опыте с при­тя­же­ни­ем бу­ма­жек к на­элек­три­зо­ван­ной па­лоч­ке, до­ка­зы­ва­ет на­ли­чие сил элек­три­че­ско­го вза­и­мо­дей­ствия, а ве­ли­чи­ну этих сил ха­рак­те­ри­зу­ет такое по­ня­тие, как заряд. То, что силы элек­три­че­ско­го вза­и­мо­дей­ствия могут быть раз­лич­ны­ми, легко про­ве­ря­ет­ся экс­пе­ри­мен­таль­ным путем, на­при­мер, при на­ти­ра­нии одной и той же па­лоч­ки с раз­лич­ной ин­тен­сив­но­стью. Элек­три­че­ский заряд – фи­зи­че­ская ве­ли­чи­на, ко­то­рая ха­рак­те­ри­зу­ет ве­ли­чи­ну вза­и­мо­дей­ствия за­ря­жен­ных тел. закон со­хра­не­ния элек­три­че­ско­го за­ря­да: в элек­три­че­ски за­мкну­той си­сте­ме ал­геб­ра­и­че­ская сумма за­ря­дов неиз­мен­на. Элек­три­че­ски за­мкну­тая си­сте­ма – это мо­дель. Это такая си­сте­ма, ко­то­рую не по­ки­да­ют и не по­пол­ня­ют элек­три­че­ские за­ря­ды.
История: Основание электростатики положили работы Кулона (хотя за десять лет до него такие же результаты, даже с ещё большей точностью, получил Кавендиш. Результаты работ Кавендиша хранились в семейном архиве и были опубликованы только спустя сто лет); найденный последним закон электрических взаимодействий дал возможность Грину, Гауссу и Пуассону создать изящную в математическом отношении теорию. Самую существенную часть электростатики составляет теория потенциала, созданная Грином и Гауссом. Очень много опытных исследований по электростатике было произведено Рисом^[1] книги которого составляли в прежнее время главное пособие при изучении этих явлений.

Опыты Фарадея, произведенные ещё в первую половину тридцатых годов XIX века, должны были повлечь за собой коренное изменение в основных положениях учения об электрических явлениях. Эти опыты указали, что то, что считалось совершенно пассивно относящимся к электричеству, а именно, изолирующие вещества или, как их назвал Фарадей, диэлектрики, имеет определяющее значение во всех электрических процессах и, в частности, в самой электризации проводников. Эти опыты обнаружили, что вещество изолирующего слоя между двумя поверхностями конденсатора играет важную роль в величине электроёмкости этого конденсатора.

Опыты с электролитами: 1. Если взять раствор медного купороса, собрать электрическую цепь и опустить электроды (графитовые стержни от карандаша) в раствор, то лампочка загориться. Есть ток!
Повторите опыт, заменив электрод, соединенный с минусом батарейки на алюминиевую пуговицу. Через какое-то время она станет «золотой», т.е. покроется слоем меди. Это – явление гальваностегии.

2. Нам понадобятся: стакан с крепким раствором поваренной соли, батарейка от карманного фонарика,
два кусочка медной проволоки длиной примерно 10 см. Зачистите концы проволоки мелкой наждачной шкуркой. Подсоедините к каждому полюсу батарейки по одному концу проволочек. Свободные концы проволочек опустите в стакан с раствором. Вблизи опущенных концов проволоки поднимаются пузырьки!

 

Закон Кулона

Закон Ку­ло­на: сила вза­и­мо­дей­ствия двух за­ря­жен­ных тел (сила Ку­ло­на или Ку­ло­но­ва сила) прямо про­пор­ци­о­наль­на про­из­ве­де­нию мо­ду­лей их за­ря­дов и об­рат­но про­пор­ци­о­наль­на квад­ра­ту рас­сто­я­ния между за­ря­да­ми.

В даль­ней­шем закон при­об­рёл сле­ду­ю­щий свой окон­ча­тель­ный вид:

История: Впервые исследовать экспериментально закон взаимодействия электрически заряженных тел предложил^[7] Г. В. Рихман в 1752—1753 гг. Он намеревался использовать для этого сконструированный им электрометр-«указатель». Осуществлению этого плана помешала трагическая гибель Рихмана.

В 1759 г. профессор физики Санкт-Петербургской академии наук Ф. Эпинус, занявший кафедру Рихмана после его гибели, впервые предположил^[8], что заряды должны взаимодействовать обратно пропорционально квадрату расстояния. В 1760 г. появилось краткое сообщение^[9] о том, что Д. Бернулли в Базеле установил квадратичный закон с помощью сконструированного им электрометра. В 1767 г. Пристли в своей «Истории электричества»^[10] отметил, что опыт Франклина, обнаружившего отсутствие электрического поля внутри заряженного металлического шара, может означать, что «сила электрического притяжения подчиняется тем же законам, что и сила тяжести, а следовательно, зависит от квадрата расстояния между зарядами» ^[11]. Шотландский физик Джон Робисон утверждал (1822), что в 1769 г. обнаружил, что шары с одинаковым электрическим зарядом отталкиваются с силой, обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними, и таким образом предвосхитил открытие закона Кулона (1785)^[12].

Примерно за 11 лет до Кулона, в 1771 г., закон взаимодействия зарядов был экспериментально открыт Г. Кавендишем, однако результат не был опубликован и долгое время (свыше 100 лет) оставался неизвестным. Рукописи Кавендиша были вручены Д. К. Максвеллу лишь в 1874 г одним из потомков Кавендиша на торжественном открытии Кавендишской лаборатории и опубликованы в 1879 г.^[13]

Сам Кулон занимался исследованием кручения нитей и изобрел крутильные весы. Он открыл свой закон, измеряя с помощью них силы взаимодействия заряженных шариков.

Крутильные весы: Крутильные весы — физический прибор, предназначенный для измерения малых сил или моментов сил. Были изобретены Шарлем Кулоном в 1777 году (по другим данным, в 1784) для изучения взаимодействия точечных электрических зарядов и магнитных полюсов.^[1] В простейшем варианте прибор состоит из вертикальной нити, на которой подвешен лёгкий уравновешенный рычаг.