§ 18. Взаємодія заряджених тіл. Закон Кулона. Закон збереження електричного заряду

Поняття електричного заряду - одне з найважливіших в електриці. Ви спостерігали в досліді 17.1, що гребінець, натертий сильніше, краще притягує шматочки паперу. Заряджені тіла взаємодіють з іншими тілами тим сильніше, чим більший у них заряд. Це означає, що електричний заряд є мірою електричної взаємодії. Одиницю вимірювання електричного заряду назвали кулоном (Кл), на честь французького фізика і воєнного інженера Шарля Огюстена Кулона, який дослідив залежність взаємодії невеликих за розміром заряджених тіл (точкових зарядів) від величини зарядів і відстані між зарядженими тілами. Результати дослідження були наступними:

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

ними - закон Кулона.

Заряди однакових знаків відштовхуються, протилежних - притягуються.

Пряма пропорційність добутку зарядів означає, що якщо заряд одного тіла збільшили в три рази, а другого - в п'ять разів, не змінивши при цьому відстані між ними, то сила взаємодії збільшилася в 3-5 = 15 разів.

Обернена пропорційність сили квадрату відстані означає, що якщо збільшити відстань між тілами в три рази (не змінюючи значень зарядів), то сила взаємодії зменшиться в дев'ять разів (З² = 9), а при зменшенні відстані в п'ять разів вона зросте у двадцять п'ять разів (5² = 25). Математично цю залежність записують так:

де /'"-значення сили взаємодії двох невеликих за розміром електричних зарядів q_{ і q₂, які знаходяться на відстані г один від одного, а

коефіцієнт пропорційності.

Сила визначається за модулем незалежно від знаків зарядів. Напрям сили, що діє на конкретний заряд, визначається за правилом взаємодії (притяган-

ня чи відштовхування) і діє вздовж прямої лінії, яка сполучає взаємодіючі точкові заряди (мал. Ί8.Ί).

У випадку, коли тіла заряджені рівномірно і мають форму кульок, відстань вимірюється між їх центрами.

Задамо ще одне запитання: тіло якої маси (у тоннах) така сила могла 6 відірвати від поверхні? Оскільки F = mg, то т = F/g ~ 9'Шкг = 9 l(Fm. Така сила могла 6 підняти вантаж 900 000 т - два супертанкери.

Навіть в невеликих кількостях речовини міститься величезний заряд, який, на щастя, збалансований таким самим зарядом протилежного знаку.

ПРИКЛАД Ί8.2

Якби нам якимось чудодійним способом вдалося зняти з кожного атома графітового стержня олівця масою 12 г по одному електрону, то на ньому утворився 6 позитивний заряд, який дорівнює майже 100 000 Кл. Що сталося б у наступну мить, можете собі уявити, враховуючи дані, наведені в попередньому прикладі, і те, що заряди однакового знаку відштовхуються.

ПРИКЛАД 18.3

Протони в атомному ядрі мають однаковий заряд і тому відштовхуються. Ядерні сили, які на відстанях, порівнянних із діаметром атомного ядра, в 200 разів сильніші за електричні, утримують протони в ядрі (і нейтрони також). Порушення рівноваги ядерних та електричних сил, що діють в ядрі між протонами у порівняно невеликій масі урану чи плутонію, може викликати вивільнення величезної енергії у вигляді ядерного вибуху.

Чому незаряджене тіло притягується до зарядженого

Розглянемо іще раз дослід, в якому заряджений гребінець притягує кусочок паперу (мал. Ί8.2). Яким чином гребінець діє на папірець, адже папірець неза-ряджений? Врахуйте, що електричні заряди в цьому випадку не можуть пройти через повітряний проміжок, який розділяє гребінець і папірець.

Незважаючи на те, що папірець незаряджений, у ньому є однакова кількість протилежних за знаком зарядів. Припустимо, що гребінець заряджений позитивно. На ближчому до гребінця боці папірця з'явиться заряд «-», оскільки

негативні заряди притягуються до позитивного заряду гребінця. На протилежному боці папірця з'явиться позитивний заряд, оскільки позитивні заряди гребінця і папірця відштовхуються. Загальний заряд папірця, як і раніше, дорівнює нулю (внаслідок дії закону збереження заряду).

При цьому позитивні й негативні заряди розійшлися на певну відстань. У такому випадку кажуть, що тіло (в даному прикладі папірець) поляризоване. Електричні заряди розійшлися на протилежні сторони тіла, утворивши два електричні полюси. На негативно заряджену сторону папірця діє сила притягання до гребінця, а на протилежну сторону - сила відштовхування. Проте сила притягання більша, оскільки негативно заряджена сторона папірця знаходиться ближче до гребінця (пригадайте закон взаємодії електричних зарядів).

ДОСЛІД 18.1

Візьміть прозорий поліетиленовий пакет і наповніть його наполовину пшоном. Зав'яжіть пакет і покладіть на стіл так, щоб зверху над пшоном утворилася повітряна подушка (мал. 18.3). Проведіть по верхній частині пакета (над повітряною подушкою) тильною стороною руки і спостерігайте за тим, як «оживають» зернятка пшона. Вони рухаються вгору і вниз, потім знову вгору... Спробуйте пояснити, що сталося із простором над пшоном після того, як ви наелектризували поліетилен.

Властивості електричних зарядів

1.    Заряджені тіла взаємодіють на відстані. Сила взаємодії зарядів визначається законом Кулона.

2.    Однойменні заряди відштовхуються, а різнойменні - притягуються. Як зазнача-

лося вище, є тільки два види електричних зарядів - позитивні і негативні, які умовно позначаються знаками «+» і «-». Тому є, відповідно, два види електричної взаємодії: притягання і відштовхування.

3.    Існує найменший електричний заряд, який називається елементарним. Його значення дорівнює: е = 1,6 · 10^-19 Кл. Носіями елементарних зарядів є протон і електрон. Наступний за значенням заряд після елементарного - це заряд 2е, потім Зе і т. д. Отже, будь-який заряд q може бути виражений цілим числом елементарних зарядів: q = Ne,де N- ціле число. Процес заряджання (чи розряджання) тіла відбувається стрибками. При великих зарядах це непомітно, але коли заряд тіла дуже маленький, дискретність (стрибкоподібність зміни) електричного заряду вже суттєво проявляється.

4.    Загальний електричний заряд ізольованої системи тіл зберігається (залишається незмінним). Цей принцип називають законом збереження електричного заряду.

КОРОТКІ ПІДСУМКИ

O Електричний заряд є мірою електричної взаємодії. Напрям сили електричної взаємодії направлений вздовж прямої, яка сполучає взаємодіючі точкові заряди.

O Сила взаємодії двох точкових нерухомих зарядів у вакуумі прямо пропорційна добутку величин цих зарядів і обернено пропорційна квадрату відстані між ними - закон Кулона:.

O Закон збереження електричного заряду: повний заряд ізольованої системи тіл зберігається.

ВПРАВА №J8

1.    Чому в природі існують тільки два види електричного заряду, а не один, як у гравітації, чи три?

2.    Яка причина того, що незаряджений папірець притягується до зарядженого тіла?

3.    *. За яких умов два однойменно заряджених тіла можуть притягуватися?

4.    Яку характеристику тіл у гравітації (тяжінні) можна вважати аналогом (подобою) електричного заряду?

5.    Що спільного і в чому різниця сили тяжіння і сили електричної взаємодії?

6.    Як залежить сила електричної взаємодії маленьких заряджених тіл а) від відстані між ними, 6) від величини зарядів? в) Який напрям сили електричної взаємодП?

7.    Назвіть основні властивості електричних зарядів.

8.    Обчисліть силу відштовхування (в кН) двох однакових зарядів по 1 Кл кожен, які знаходяться на відстані Ί км.

9.    Які сили утримують в ядрі нейтрони?

10.    Два однакові за величиною точкові заряди знаходяться на відстані 50 см і відштовхуються з силою 90 мкН. а) Яка величина (у мкКл) кожного із за-

рядів? * Який знак цих зарядів?

11.    Два точкових від'ємно заряджених тіла відштовхуються в повітрі із силою 0,9 Н. Визначте кількість надлишкових електронів на кожному тілі, якщо відстань між тілами 8 см.

12.    Дві однакові за масою і розміром кульки (мал. 18.4) підвішені на однакових за довжиною нитках. Який знак заряду q₂ у випадку: а) а, б) б? в)* Яка величина заряду в обох випадках?

*Чи може права кулька бути незаря-дженою у випадку: в) а, г) б?

13.    Дві однакові невеликі металічні кульки заряджені так, що заряд однієї з них за модулем у 5 разів більший, ніж заряд другої. Кульки доторкнули одну до одної і розвели на початкову відстань. У скільки разів змінилася сила взаємодії кульок, якщо вони були заряджені а) однойменно, б) різнойменно?

14.    Що було б, якби ядерні сили в ядрі атома були меншими за електричні?

15.    Закон притягання масивних тіл за допомогою гравітаційних сил, відкритий Ньютоном, має ту саму математичну форму, що й закон Кулона:

Цей матеріал з підручника Фізика 8 клас Пшенічка