§ 24. Взаємодія заряджених тіл. Електричне поле. Закон Кулона

Думки вголос

Я буду знати основний закон взаємодії заряджених тіл, зможу його застосовувати для розв’язування задач.

Фізика — наука експериментальна. Якщо проводити досліди взаємодії заряджених тіл у вакуумі, то результат буде такий самий, як і в повітрі. Видатні вчені М. Фарадей і Д. Максвелл встановили, що в просторі навколо заряджених тіл (або заряджених частинок) існує електричне поле.

А ти знаєш?

Майкл Фарадей (1791-1867) — англійський фізик і хімік, засновник вчення про електромагнітне поле, член Лондонського королівського товариства. Він відіграв визначну роль у розвитку вчення про електромагнітні явища. Був одним із найвпливовіших вчених в історії науки.

Джеймс Клерк Максвелл (1831-1879) — шотландський вчений, який створив теорію електромагнітного поля і на її підставі зробив висновок, що змінні електричне і магнітне поля тісно пов’язані одне з одним. Вони утворюють єдине електромагнітне поле, яке поширюється у вигляді електромагнітних хвиль зі швидкістю світла. Ґрунтуючись на зв’язку електричних, магнітних та світлових явищ, Максвелл розробив теорію світла і таким чином об’єднав в єдине ціле раніше розрізнені галузі електрики, магнетизму і оптики. Крім цього, Максвеллу належать великі відкриття і в інших галузях фізики, зокрема в молекулярно-кінетичній теорії газів.

Електричне поле — особливий вид матерії, на відміну від речовини. Воно виникає навколо будь-якого зарядженого тіла.

Речовину можна виявити за допомогою органів чуття: на дотик, на смак, на слух, а електричне поле не виявляється органами чуття, воно проявляє себе в різних діях. Електричне поле невидиме, але його можна вивчити за допомогою дослідів. Продемонструємо це.

Дослід 1. Підвісимо на нитці заряджену станіолеву гільзу і піднесемо на відстані заряджену паличку. Взаємодія між зарядженими тілами — гільзою і паличкою — буде тим сильнішою, чим меншою є відстань між ними.

Висновок. Електричне поле сильніше біля зарядженого тіла, а при віддаленні від нього електричне поле слабшає. Отже, електричне поле залежить від відстані до зарядженого тіла.

Дослід 2. Два електрометри зарадили різними за величиною зарядами — їх стрілки відхилилися на різну кількість поділок. Піднесемо до стрижнів електрометрів незаряджену гільзу на нитці, не торкаючись стрижня. Побачимо, що навколо кульки електрометра з більшим зарядом електричне поле сильніше, а навколо кульки електрометра з меншим зарядом електричне поле слабше.

Висновок. Електричне поле залежить від величини електричного заряду: чим більший електричний заряд, тим сильніше електричне поле навколо нього.

Отже, на будь-яке заряджене тіло або заряджену частинку, внесену в електричне поле, діє електрична сила.

Дослідження відомого французького вченого Кулона привели до відкриття закону, за яким можна визначити величину електричної сили. Кулон провів велику кількість дослідів із взаємодії заряджених тіл за допомогою сконструйованого ним приладу. Цей прилад називався крутильні терези (мал. 93). У банці було розміщено легке коромисло, що могло обертатися навколо осі. На краю коромисла була прикріплена легка кулька (Кулон брав сухі ягоди бузини). Через отвір в банку на стрижні фізик опускав іншу кульку. Кульки електризувалися тертям, а за кутом закру-

чування осі обертання Кулон оцінював електричну силу взаємодії між кульками.

При збільшенні відстані між зарядженими тілами (кульками) в 2 рази електрична сила їх взаємодії зменшилася в 4 рази. Якщо відстань між зарядженими тілами збільшити в 3 рази, то сила взаємодії зменшиться 9 разів і т. д.

Кулон зробив висновок, що сила взаємодії заряджених тіл обернено пропорційно залежить від квадрату відстані між ними

де г — відстань між зарядженими тілами дуже маленьких розмірів (точкові заряди).

Було доведено, що сила взаємодії заряджених тіл прямо пропорційна величинам цих зарядів: F ~ Cj₁ q_2y де — заряд одного тіла, q₂ — заряд другого тіла.

Після об’єднання всіх дослідних висновків Кулон встановив один із найважливіших законів електрики, цей закон назвали його ім’ям.

Сила взаємодії заряджених тіл, розмірами яких можна знехтувати, порівняно з відстанню між ними (точкові заряди), прямо пропорційна добутку значень цих зарядів і обернено пропорційна квадрату відстані між ними. Математично закон Кулона записують так:

дорівнює електричній силі (9 · IO⁹ Н), що виникає під час взаємодії тіл малих розмірів із зарядами, по 1 Кл кожний, на відстані 1 м один від одного.

Різнойменно заряджені тіла і частинки притягуються, а однойменно заряджені — відштовхуються. Закон Кулона дає можливість вирахувати модуль сили такої електростатичної взаємодії: у формулу закону входять значення модулів зарядів, тобто без врахування знаків. Для зручності математичні знаки модулів можна не писати.

Приклад розв’язування задач. З якою силою взаємодіють у вакуумі два точкові заряди по 10 нКл, що перебувають на відстані З см один від одного?

Дано:    Розв'язання

q_i = 10 нКл    Точкові заряди — це заряди, розмірами яких

q₂= 10 нКл можна знехтувати порівняно з відстанню, на г = 3 см    яких вони знаходяться. Переведемо фізичні

р _ 2    величини в систему^ СІ:

F = I lO ³ H = ImH.

Одержимо:

Відповідь: Заряди взаємодіють із силою 1 мН. Якщо ми знаємо знаки зарядів («+» чи «-»), то ми можемо зобразити взаємодію тіл графічно:

Ці тіла відштовхуються, оскільки вони однойменні.

Підсумки

•    Навколо всіх заряджених тіл або частинок існує електричне поле.

•    Електрична сила взаємодії точкових заряджених тіл або частинок прямо пропорційна величинам зарядів обох тіл і обернено пропорційна квадрату відстані між ними. Вона завжди напрямлена вздовж прямої, яка з’єднує ці заряди (електрична сила притягання або відштовхування). Цей закон називають законом Кулона.

•    Формула закону Кулона

Перевір свої знання

1*. Як зміниться сила взаємодії між точковими зарядами, якщо відстань між ними збільшити у 5 разів? Зменшити у 6 разів?

2*. Як зміниться сила взаємодії між точковими зарядами, якщо величину кожного з них збільшити у 3 рази? Зменшити у 4 рази?

З**. Користуючись законом Кулона, заповни таблицю.

4***. Дві кульки, розташовані на відстані 10 см одна від одної, мають однакові негативні заряди і взаємодіють із силою 0,23 мН. Знайди число надлишкових електронів на кожній кульці.

Це матеріал з Підручника Фізика 8 Клас Сердюченко