Již ve starověku bylo známo, že elektrifikovaná tělesa interagují. Sílu interakce mezi dvěma malými nabitými kuličkami poprvé změřil Charles Coulomb pomocí torzní váhy. Zformuloval zákon, který byl později pojmenován po něm.

Bylo také zjištěno, že síla, kterou se dva náboje přitahují nebo odpuzují, závisí nejen na samotných nábojích, ale také na látce, ve které se tyto náboje nacházejí.

Coulombův experiment

Coulomb našel způsob, jak změřit vzájemné působení dvou nábojů. K tomu použil torzní váhy.

Nemusel používat další zvlášť citlivé vybavení. Protože vzájemné působení nábojů mělo dostatečnou intenzitu pro pozorování.

Poznámka: Coulombův experiment je podobný Cavendishovu experimentu, který experimentálně určil gravitační konstantu G.

Torzní měřící zařízení

Takové váhy (obr. 1) obsahují příčku – tenkou skleněnou tyčinku umístěnou vodorovně. Je zavěšen na tenkém svisle nataženém elastickém drátu.

Na jednom konci tyče je malá kovová kulička. Na druhém konci je připevněno závaží, které se používá jako protizávaží.

Další kovová kulička připojená k druhé skleněné tyčce může být umístěna blízko první kuličky. Za tímto účelem je v horním krytu pouzdra váhy vytvořen otvor.

Rýže. 1. Návrh torzní váhy používané Coulombem k detekci síly interakce nábojů

Pokud koule zelektrizujete, začnou se vzájemně ovlivňovat. A příčka připevněná k drátu, na které je umístěna jedna z kuliček, se bude otáčet pod určitým úhlem.

Na těle váhy je na úrovni tyčky stupnice s dílky. Úhel natočení souvisí se silou vzájemného působení kuliček. Čím větší je úhel natočení, tím větší je síla, kterou na sebe kuličky působí.

Chcete-li vrátit posunutou kouli do původní polohy, musíte drát otočit pod určitým úhlem. Tak, aby pružná síla kompenzovala sílu interakce mezi kuličkami.

V horní části stupnice je páčka pro kroucení drátu. Vedle je kotouč a na něm další úhlová stupnice s dílky.

Spodní stupnice určuje bod, do kterého se musí míček vrátit. Horní stupnice slouží k nastavení úhlu, pod kterým je potřeba drát stočit pákou.

Charles Coulomb pomocí torzních vah přesně zjistil, jak závisí síla vzájemného působení na velikosti nábojů a vzdálenosti mezi náboji.

V těchto letech nebyly jednotky pro měření náboje. Musel proto změnit náboj jedné koule metodou polovičního dělení.

Když se dotkl nabité koule druhé podobné koule, náboje mezi nimi byly rozděleny rovnoměrně. Tímto způsobem bylo možné snížit náboj jedné z kuliček účastnících se experimentu 2, 4, 8, 16 atd. krát.

ČTĚTE VÍCE
V jaké vzdálenosti mám položit opláštění pod kovové dlaždice?

Coulomb tak experimentálně získal zákon, jehož vzorec je velmi podobný zákonu univerzální gravitace.

Na památku jeho úspěchů se síla interakce mezi náboji nazývá Coulombova síla.

Coulombův zákon pro náboje ve vakuu

Uvažujme dva bodové náboje, které jsou ve vakuu (obr. 2).

Rýže. 2. Dva kladné náboje q a Q, umístěné ve vakuu ve vzdálenosti r, se odpuzují. Odpudivé síly směřují podél přímky spojující náboje

Na obrázku 2 je síla (velká F_) síla, kterou kladný náboj Q odpuzuje druhý kladný náboj q. A síla (velká F_) patří náboji q, takovou silou náboj Q odpuzuje.

Poznámka: Bodový náboj je nabité těleso, jehož velikost a tvar lze zanedbat.

Síly interakce mezi náboji jsou podle třetího Newtonova zákona stejné velikosti a opačného směru. Proto pro pohodlí můžete zavést notaci:

[velké F_ = F_ = F]

Pro sílu interakce nábojů ve vakuu Charles Coulomb formuloval zákon takto:

Dvoubodové náboje ve vakuu,
interagovat silou
přímo úměrné
součin hodnot náboje
a nepřímo úměrné
čtverec vzdálenosti mezi nimi.

Vzorec pro tento zákon v jazyce matematiky bude napsán takto:

(F left( H right) ) – síla, kterou se dva bodové náboje přitahují nebo odpuzují;

(|q| left( textright) ) – hodnota prvního náboje;

(|Q| left( textright) ) – hodnota druhého náboje;

(r left( textright) ) – vzdálenost mezi dvěma bodovými náboji;

(k) – konstantní hodnota, koeficient v soustavě SI;

Síla je vektor. Dvě hlavní charakteristiky vektoru jsou jeho délka a směr.

Vzorec umožňuje najít jednu z charakteristik vektoru F – modul (délku) vektoru.

Pro určení druhé charakteristiky vektoru F – jeho směru, je třeba použít pravidlo: Mentálně spojte dva stacionární bodové náboje přímkou. Síla, se kterou interagují, bude směřovat podél této přímky.

Coulombova síla je centrální síla, protože směřuje podél přímky spojující středy těles.

Poznámka: Dalším příkladem centrální síly je gravitace.

Co je koeficient k z hlediska fyziky

Konstanta (k) obsažená ve vzorci pro sílu interakce nábojů má následující fyzikální význam:

(k) je síla, kterou se odpuzují dva kladné bodové náboje o síle 1 C, když je vzdálenost mezi nimi 1 metr.

Hodnota konstanty k je devět miliard!

To znamená, že náboje interagují s velkými silami.

Konstantu k lze vypočítat experimentálně umístěním dvou známých nábojů (ne nutně 1 Coulomb každý) do vhodné vzdálenosti pro měření (ne nutně 1 metr) a měřením síly ze vzájemného působení.

ČTĚTE VÍCE
Proč klimatizace nechladí, ale funguje jako ventilátor?

Známé hodnoty nábojů, vzdálenost mezi nimi a měřená síla je nutné dosadit do následujícího vzorce:

Hodnota k souvisí s elektrickou konstantou (varepsilon) podle následujícího vzorce:

Proto zlomek z pravé strany tohoto vzorce lze nalézt v různých příručkách fyziky, kde nahrazuje koeficient k.

Coulombův zákon pro náboje ve hmotě

Pokud jsou v látce dva bodové náboje, pak bude síla jejich vzájemného působení menší než ve vakuu. Pro náboje ve hmotě vypadá Coulombův zákon takto:

(F left( H right) ) – síla interakce nábojů v látce;

(|q| ; |Q| left( textright) ) – hodnoty poplatku;

(r left( textright) ) – vzdálenost mezi náboji;

( k = 9cdot 10^ ) – konstantní hodnota;

(varepsilon) – dielektrická konstanta látky, liší se pro různé látky, lze ji nalézt ve fyzikální referenční knize;

Rýže. 4. Dva náboje -q a +Q umístěné ve vakuu ve vzdálenosti r se přitahují silněji než stejné náboje umístěné ve stejné vzdálenosti v dielektriku

Síly, kterými na sebe náboje ve hmotě působí, se liší od interakčních sil ve vakuu faktorem (varepsilon):

Poznámka: Přečtěte si samostatný článek vysvětlující, co je dielektrická konstanta a elektrická konstanta.

1. Pokud se skleněná tyčinka otírá o hedvábí nebo papír, získá schopnost přitahovat lehké předměty, jako jsou kousky papíru, vlasy atd. Stejný efekt lze pozorovat, pokud se k světlým předmětům přivede ebonitová tyčinka otřená o srst. Tělesa, která v důsledku tření získávají schopnost přitahovat jiná tělesa, se nazývají elektrifikovaný nebo nabitý a jev těles, která získávají elektrický náboj, se nazývá elektrifikace.

Zavěšením lehkých kuliček fólie na dvě nitě a dotykem každé z nich skleněnou tyčinkou natřenou na hedvábí uvidíte, že se kuličky budou navzájem odpuzovat. Pokud se pak jedné kuličky dotknete skleněnou tyčinkou natřenou na hedvábí a druhé ebonitovou tyčinkou natřenou na kožešině, kuličky se budou přitahovat. To znamená, že skleněné a ebonitové tyčinky při tření získávají náboje různých znaků, tzn. V přírodě existují dva typy elektrických nábojů, které mají opačné znaménko: kladné a záporné. Shodli jsme se na předpokladu, že skleněná tyčinka natřená na hedvábí získá kladný náboj a ebonitová tyčinka natřená na kožešinu získá negativní náboj.

Z popsané zkušenosti také vyplývá, že nabitá tělesa na sebe vzájemně působí. Tato interakce se nazývá elektrický. Čím stejnojmenné poplatky, tzn. náboje stejného znamení se navzájem odpuzují a náboje opačných znamení se přitahují.

ČTĚTE VÍCE
Jak se zbavit roztočů pomocí mýdla na prádlo?

Fenomén odpuzování podobně nabitých těles vychází z konstrukce elektroskopu – zařízení, které umožňuje určit, zda je dané těleso nabité (obr. 77), a elektrometru, zařízení, které umožňuje odhadnout hodnotu elektrický náboj (obr. 78).

Pokud se dotknete tyče elektroskopu nabitým tělem, listy elektroskopu se rozptýlí, protože získají náboj stejného znaménka. Totéž se stane s jehlou elektroměru, pokud se dotknete jeho tyče nabitým tělem. V tomto případě platí, že čím větší náboj, tím větší úhel se bude šíp od tyče odchylovat.

2. Z jednoduchých experimentů vyplývá, že síla interakce mezi nabitými tělesy může být větší nebo menší v závislosti na velikosti získaného náboje. Můžeme tedy říci, že elektrický náboj na jedné straně charakterizuje schopnost těla elektricky interagovat a na druhé straně je veličinou, která určuje intenzitu této interakce.

Náboj se označuje písmenem ​ ( q ) ​, za jednotku náboje se považuje coulomb: ​ ( [q] ) ​ = 1 C.

Pokud se dotknete jednoho elektroměru nabitou tyčí a poté tento elektroměr připojíte kovovou tyčí k jinému elektroměru, pak se náboj na prvním elektroměru rozdělí mezi dva elektroměry. Poté můžete elektroměr připojit k několika dalším elektroměrům a náboj se mezi ně rozdělí. Elektrický náboj má tedy vlastnost dělitelnosti. Hranice dělitelnosti náboje, tzn. Nejmenší náboj, který v přírodě existuje, je náboj elektronu. Elektronový náboj je záporný a rovná se 1,6·10-19C. Jakýkoli jiný náboj je násobkem elektronového náboje.

3. Elektron je částice, která je součástí atomu. V historii fyziky existuje několik modelů struktury atomu. Jeden z nich, který umožňuje vysvětlit řadu experimentálních faktů, včetně fenoménu elektrifikace, navrhl E. Rutherford. Na základě svých experimentů dospěl k závěru, že ve středu atomu se nachází kladně nabité jádro, kolem kterého se po drahách pohybují záporně nabité elektrony. V neutrálním atomu se kladný náboj jádra rovná celkovému zápornému náboji elektronů. Jádro atomu se skládá z kladně nabitých protonů a neutrálních částic, neutronů. Náboj protonu se v absolutní hodnotě rovná náboji elektronu. Jestliže jeden nebo více elektronů je odstraněno z neutrálního atomu, stane se kladně nabitým iontem; Pokud jsou k atomu přidány elektrony, stane se z něj záporně nabitý iont.

Poznatky o struktuře atomu umožňují vysvětlit jev elektrifikace třením. Elektrony, které jsou volně vázané k jádru, se mohou odtrhnout od jednoho atomu a připojit se k jinému. To vysvětluje, proč jedno tělo může vyvinout nedostatek elektronů, zatímco jiné může mít nadbytek. V tomto případě se první tělo nabije kladně a druhé záporně.

ČTĚTE VÍCE
Proč se napětí generátoru snižuje, když se zvyšuje zatěžovací proud?

4. Pokud o sebe třete nenabité skleněné a ebonitové destičky a poté je jednu po druhé vkládáte do duté koule umístěné na tyči elektroměru, elektroměr zaznamená přítomnost náboje na skleněné i ebonitové destičce. V tomto případě lze ukázat, že desky budou mít náboj opačných znamének. Pokud jsou obě destičky vloženy do koule, ručička elektroměru zůstane na nule. Podobnou věc lze nalézt, pokud ebonitovou hůl natřete srst: srst bude stejně jako hůl nabitá, ale nábojem opačného znaménka.

V důsledku tření prošly elektrony ze skleněné desky na ebonitovou desku a ukázalo se, že skleněná deska je kladně nabitá (nedostatek elektronů) a ebonitová deska záporně (přebytek elektronů). Při elektrifikaci tedy dochází k redistribuci náboje, obě tělesa jsou elektrifikována a získávají náboje stejné velikosti a opačných znamének.

V tomto případě, algebraický součet elektrických nábojů před a po elektrifikaci zůstává konstantní: ( q_1+q_2+…+q_n=konst).

V popsaném experimentu ​ ( q_n ) ​ je algebraický součet nábojů desek před a po elektrifikaci roven nule.

Psaná rovnost vyjadřuje základní přírodní zákon – zákon zachování elektrického náboje. Jako každý fyzikální zákon má určité hranice použitelnosti: platí pro uzavřenou soustavu těles, tzn. pro sbírku těl izolovaných od jiných objektů.

PŘÍKLADY ÚKOLŮ

část 1

1. Pokud je na izolační desku umístěno masivní závaží a připojeno k elektrometru a poté několikrát zasaženo kouskem kožešiny, závaží získá záporný náboj a ručička elektroměru se vychýlí. V tomto případě získá kus kožešiny náboj

1) rovna nule
2) kladná, velikost se rovná náboji závaží
3) záporný, rovný náboji závaží
4) kladný, větší modul náboje závaží

2. Dvoubodové náboje se budou navzájem přitahovat, pokud se náboje

1) identické ve znaménku a jakékoli v absolutní hodnotě
2) identické ve znaménku a nutně totožné v absolutní hodnotě
3) různé ve znaku, ale nutně totožné v absolutní hodnotě
4) různé ve znaménku a jakékoli v absolutní hodnotě

3. Obrázky ukazují tři páry identických světlem nabitých kuliček zavěšených na hedvábných nitích. Náboj jedné z kuliček je vyznačen na obrázcích. V jakých případech může být náboj druhé koule záporný?

1) pouze A
2) A a B
3) pouze B
4) A a B

4. Student si při pokusu o interakci kovové kuličky zavěšené na hedvábné niti s kladně nabitou plastovou kuličkou umístěnou na izolačním stojanu načrtl do sešitu pozorovaný jev: závit s kuličkou se odchýlil od svislice o úhel (alfa). Na základě obrázku lze tvrdit, že kovová koule

ČTĚTE VÍCE
Jak pochopit, že tlumič nárazů pračky selhal?

1) má kladný náboj
2) má záporný náboj
3) není účtován
4) buď není nabitý, nebo má záporný náboj

5. Záporně nabité tělo odpuzuje lehkou kuličku hliníkové fólie zavěšenou na niti. Náboj míče:

Pozitivní
B. negativní
B. rovna nule

Následující tvrzení jsou pravdivá:

1) pouze B
2) B a C
3) A a B
4) pouze B

6. Kovová koule 1, namontovaná na dlouhém izolačním držadle a mající náboj (+q) , je střídavě přiváděna do kontaktu se dvěma podobně izolovanými nenabitými koulemi 2 a 3, umístěnými na izolačních stojanech.

Jaký náboj v důsledku toho získá míč 2?

7. Kapka s nábojem ​ (+e) ​ oddělená od kapky s elektrickým nábojem ​ (-2e) ​. Jaký je elektrický náboj zbývající části kapky?

8. Kovová deska, která měla záporný náboj (-10e), ztratila při osvětlení čtyři elektrony. Jaký byl náboj na talíři?

9. Vodní kapka, která měla elektrický náboj (+5e), byla spojena kýlem s nábojem (-6e). Jaký bude náboj kombinovaného poklesu?

10. Obrázek ukazuje bodově nabitá tělesa. Tělesa A a B mají stejný záporný náboj a těleso B má stejný kladný náboj. Jaká je velikost a směr výsledné síly působící na náboj B od nábojů A a B?

1) (F=F_A+A_B); směr 2
2) (F = F_A-A_B); směr 2
3) (F = F_A + A_B); směr 1
4) (F = F_A-A_B); směr 1

11. Z níže uvedeného seznamu tvrzení vyberte dva správné a zapište jejich čísla do tabulky.

1) Čím větší je vzdálenost mezi nimi, tím větší je síla interakce mezi elektrickými náboji.
2) Při elektrifikaci třením dvou těles je jejich celkový náboj nulový.
3) Síla interakce mezi elektrickými náboji je tím větší, čím větší jsou náboje.
4) Při spojení dvou nabitých těles bude jejich celkový náboj menší než algebraický součet jejich nábojů před spojením.
5) Když se ebonitová tyčinka otírá o srst, pouze ebonitová tyčinka získá náboj.

12. V procesu tření o hedvábí získalo skleněné pravítko kladný náboj. Jak se změnil počet nabitých částic na pravítku a hedvábí za předpokladu, že při tření nedošlo k výměně atomů? Stanovte soulad mezi fyzikálními veličinami a jejich možnými změnami v tomto případě. Vybraná čísla zapište do tabulky pod odpovídající písmena. Čísla v odpovědi se mohou opakovat.

FYZICKÉ MNOŽSTVÍ
A) počet protonů na hedvábí
B) počet protonů na skleněném pravítku
B) počet elektronů na hedvábí