Что измеряется в кулонах физика: The page cannot be found

Содержание

Элеком37, Электрический заряд и его свойства, физика.

Электрический заряд и его свойства.


Электрический заряд это физическая величина, характеризующая способность частиц или тел вступать в электромагнитные взаимодействия. Электрический заряд обычно обозначается буквами q или Q. В системе СИ электрический заряд измеряется в Кулонах (Кл). Свободный заряд в 1 Кл – это гигантская величина заряда, практически не встречающаяся в природе. Как правило, Вам придется иметь дело с микрокулонами (1 мкКл = 10–6 Кл), нанокулонами (1 нКл = 10–9 Кл) и пикокулонами (1 пКл = 10–12 Кл).

Электрический заряд обладает следующими свойствами:.

1. Электрический заряд является видом материи.
2. Электрический заряд не зависит от движения частицы и от ее скорости.
3. Заряды могут передаваться (например, при непосредственном контакте) от одного тела к другому. В отличие от массы тела электрический заряд не является неотъемлемой характеристикой данного тела.
Одно и то же тело в разных условиях может иметь разный заряд.
4. Существует два рода электрических зарядов, условно названных положительными и отрицательными.
5. Все заряды взаимодействуют друг с другом. При этом одноименные заряды отталкиваются, разноименные – притягиваются. Силы взаимодействия зарядов являются центральными, то есть лежат на прямой, соединяющей центры зарядов.
6. Существует минимально возможный (по модулю) электрический заряд, называемый элементарным зарядом. Его значение:

e = 1,602177·10–19 Кл ≈ 1,6·10–19 Кл.

Электрический заряд любого тела всегда кратен элементарному заряду:

где: N – целое число. Обратите внимание, невозможно существование заряда, равного 0,5е; 1,7е; 22,7е и так далее. Физические величины, которые могут принимать только дискретный (не непрерывный) ряд значений, называются квантованными. Элементарный заряд e является квантом (наименьшей порцией) электрического заряда.

7. Закон сохранения электрического заряда. В изолированной системе алгебраическая сумма зарядов всех тел остается постоянной:

Закон сохранения электрического заряда утверждает, что в замкнутой системе тел не могут наблюдаться процессы рождения или исчезновения зарядов только одного знака. Из закона сохранения заряда так же следует, если два тела одного размера и формы, обладающие зарядами q1 и q2 (совершенно не важно какого знака заряды), привести в соприкосновение, а затем обратно развести, то заряд каждого из тел станет равным:

С современной точки зрения, носителями зарядов являются элементарные частицы. Все обычные тела состоят из атомов, в состав которых входят положительно заряженные протоны, отрицательно заряженные электроны и нейтральные частицы – нейтроны

. Протоны и нейтроны входят в состав атомных ядер, электроны образуют электронную оболочку атомов. Электрические заряды протона и электрона по модулю в точности одинаковы и равны элементарному (то есть минимально возможному) заряду e.

В нейтральном атоме число протонов в ядре равно числу электронов в оболочке. Это число называется атомным номером. Атом данного вещества может потерять один или несколько электронов, или приобрести лишний электрон. В этих случаях нейтральный атом превращается в положительно или отрицательно заряженный ион. Обратите внимание, что положительные протоны входят в состав ядра атома, поэтому их число может изменяться только при ядерных реакциях. Очевидно, что при электризации тел ядерных реакций не происходит.

Поэтому в любых электрических явлениях число протонов не меняется, изменяется только число электронов. Так, сообщение телу отрицательного заряда означает передачу ему лишних электронов. А сообщение положительного заряда, вопреки частой ошибке, означает не добавление протонов, а отнимание электронов. Заряд может передаваться от одного тела к другому только порциями, содержащими целое число электронов.

Иногда в задачах электрический заряд распределен по некоторому телу.

Для описания этого распределения вводятся следующие величины:

1. Линейная плотность заряда. Используется для описания распределения заряда по нити:

где: L – длина нити. Измеряется в Кл/м.

2. Поверхностная плотность заряда. Используется для описания распределения заряда по поверхности тела:

где: S – площадь поверхности тела. Измеряется в Кл/м2.

3. Объемная плотность заряда. Используется для описания распределения заряда по объему тела:

где: V – объем тела. Измеряется в Кл/м3.

Обратите внимание на то, что масса электрона равна:

me = 9,11∙10–31 кг.



Единицы измерения заряда. Закон Кулона. Точечный заряд

Основной закон взаимодействия электрических зарядов был найден Шарлем Кулоном в 1785 г. экспериментально. Кулон установил, что сила взаимодействия между двумя небольшими заряженными металлическими шариками обратно пропорциональна квадрату расстояниямежду ними и зависит от величины зарядови:

,

где —коэффициент пропорциональности
.

Силы, действующие на заряды , являются центральными , то есть они направлены вдоль прямой, соединяющей заряды.


Закон Кулона можно записать

в векторной форме :
,

где —со стороны заряда,

— радиус-вектор, соединяющий заряд с зарядом;

— модуль радиус-вектора.

Сила, действующая на заряд со стороныравна
,
.

Закон Кулона в такой форме

    справедлив только для взаимодействия точечных электрических зарядов , то есть таких заряженных тел, линейными размерами которых можно пренебречь по сравнению с расстоянием между ними.

    выражает силу взаимодействия между неподвижными электрическими зарядами, то есть это электростатический закон.

Формулировка закона Кулона :

Сила электростатического взаимодействия между двумя точечными электрическими зарядами прямо пропорциональна произведению величин зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними

.

Коэффициент пропорциональности в законе Кулоназависит

    от свойств среды

    выбора единиц измерения величин, входящих в формулу.

Поэтому можно представить отношением
,

где —коэффициент, зависящий только от выбора системы единиц измерения ;

— безразмерная величина, характеризующая электрические свойства среды, называется относительной диэлектрической проницаемостью среды

. Она не зависит от выбора системы единиц измерения и равна единице в вакууме.

Тогда закон Кулона примет вид:
,

для вакуума
,

тогда
относительная диэлектрическая проницаемость среды показывает, во сколько раз в данной среде сила взаимодействия между двумя точечными электрическими зарядами и, находящимися друг от друга на расстоянии, меньше, чем в вакууме.

В системе СИ коэффициент
, и

закон Кулона имеет вид :
.

Это рационализированная запись закона К улона.

— электрическая постоянная,
.

В системе СГСЭ
,
.

В векторной форме закон Кулона принимает вид

где —вектор силы, действующей на заряд со стороны заряда ,


— радиус-вектор, соединяющий заряд с зарядом

r –модуль радиус-вектора .

Всякое заряженное тело состоит из множества точечных электрических зарядов, поэтому электростатическая сила, с которой одно заряженное тело действует на другое, равна векторной сумме сил, приложенных ко всем точечным зарядам второго тела со стороны каждого точечного заряда первого тела.

1.3.Электрическое поле. Напряженность.

Пространство, в котором находится электрический заряд, обладает определенными физическими свойствами .

    На всякий другой заряд, внесенный в это пространство, действуют электростатические силы Кулона.

    Если в каждой точке пространства действует сила, то говорят, что в этом пространстве существует силовое поле.

    Поле наряду с веществом является формой материи.

    Если поле стационарно, то есть не меняется во времени, и создается неподвижными электрическими зарядами, то такое поле называется электростатическим.

Электростатика изучает только электростатические поля и взаимодействия неподвижных зарядов.

Для характеристики электрического поля вводят понятие напряженности . Напряженность ю в каждой точке электрического поля называется вектор , численно равный отношению силы, с которой это поле действует на пробный положительный заряд, помещенный в данную точку, и величины этого заряда, и направленный в сторону действия силы.

Пробный заряд , который вносится в поле, предполагается точечным и часто называется пробным зарядом.

Он не участвует в создании поля, которое с его помощью измеряется.

Предполагается, что этот заряд не искажает исследуемого поля, то есть он достаточно мал и не вызывает перераспределения зарядов, создающих поле.

Если на пробный точечный заряд поле действует силой, то напряженность
.

Единицы напряженности:

СИ:

СГСЭ:

В системе СИ выражение для поля точечного заряда :

.

В векторной форме:

Здесь – радиус-вектор, проведенный из зарядаq , создающего поле, в данную точку.

Т
аким образом,векторы напряженности электрического поля точечного заряда q во всех точках поля направлены радиально (рис.1.3)

— от заряда, если он положительный, «исток»

— и к заряду, если он отрицательный «сток»

Для графической интерпретации электрического поля вводят понятие силовой линии или линии напряженности . Это

    кривая , касательная в каждой точке к которой совпадает с вектором напряженности .

    Линия напряженности начинается на положительном заряде и заканчивается на отрицательном.

    Линии напряженности не пересекаются, так как в каждой точке поля вектор напряженности имеет лишь одно направление.

Тема 1.1 ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЗАРЯДЫ.

Раздел 1 ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОДИНАМИКИ

1. Электризация тел. Понятие о величине заряда.

Закон сохранения заряда.

2. Силы взаимодействия между зарядами.

Закон Кулона.

3. Диэлектрическая проницаемость среды.

4. Международная система единиц в электричестве.

1. Электризация тел. Понятие о величине заряда.

Закон сохранения заряда.

Если две поверхности привести в плотное соприкосновение, то возможен переход электронов с одной поверхности на другую, при этом на этих поверхностях появляются электрические заряды.

Это явление называется ЭЛЕКТРИЗАЦИЕЙ. При трении площадь плотного соприкосновения поверхностей увеличивается, увеличивается и величина заряда на поверхности – такое явление называют ЭЛЕКТРИЗАЦИЕЙ ТРЕНИЕМ.

В процессе электризации происходит перераспределение зарядов, в результате которого обе поверхности заряжаются равными по величине, противоположными по знаку зарядами.

Т.к. все электроны имеют одинаковые заряды (отриц.) е = 1,6 10Кл, то для того, чтобы определить величину заряда на поверхности (q), необходимо знать, сколько электронов в избытке или недостатке на поверхности (N) и заряд одного электрона.

В процессе электризации новые заряды не появляются и не исчезают, а только происходит их перераспределение между телами или частями тела, поэтому суммарный заряд замкнутой системы тел остается постоянным, в этом и заключается смысл ЗАКОНА СОХРАНЕНИЯ ЗАРЯДА.

2. Силы взаимодействия между зарядами.

Закон Кулона.

Электрические заряды взаимодействуют между собой, находясь на расстоянии, при этом одноименные заряды отталкиваются, а разноименные – притягиваются.

Впервые выяснил опытным путем отчего зависит сила взаимодействия между зарядами французский ученый Кулон и вывел закон, названный законом КУЛОНА. Закон фундаментальный т.е. основан на опытах. При выводе этого закона Кулон использовал крутильные весы.

3) k – коэффициент, выражающий зависимость от окружающей среды.

Формула закона Кулона.

Сила взаимодействия между двумя неподвижными точечными зарядами прямо пропорциональны произведению величин этих зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояний между ними, и зависит от среды, в которой находятся эти заряды, и направлена вдоль прямой, соединяющей центры этих зарядов.

3. Диэлектрическая проницаемость среды.

Е — диэлектрическая проницаемость среды, зависит от окружающей заряды среды.

Е = 8,85*10 — физическая постоянная, диэлектрическая проницаемость вакуума.

Е – относительная диэлектрическая проницаемость среды, показывает во сколько раз сила взаимодействия между точечными зарядами в вакууме больше чем в данной среде. В вакууме самое сильное взаимодействие между зарядами.

4. Международная система единиц в электричестве.

Основной единицей для электричества в системе «СИ» является сила тока в 1А, все остальные единицы измерения являются производными от 1Ампера.

1Кл – количество электрического заряда, переносимого заряженными частицами через поперечное сечение проводника при силе тока в 1А за 1с.

q=N;

Тема 1.2 ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ

1. Электрическое поле – как особый вид материи.

6. Связь разности потенциалов с напряженностью электрического поля.

1. Электрическое поле – как особый вид материи.

В природе как вид материи существует электромагнитное поле. В разных случаях электромагнитное поле проявляет себя по — разному, так например около неподвижных зарядов проявляет себя только электрическое поле, которое называют электростатическим. Около подвижных зарядов можно обнаружить как электрическое, так и магнитное поля, которые в совокупности представляют ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ПОЛЯ.

Рассмотрим свойства электростатических полей:

1) Электростатическое поле создается неподвижными зарядами, обнаружить такие поля можно

с помощью пробных зарядов (небольшой по величине положительный заряд), т. к. только на них электрическое поле оказывает силовое действие, которое подчиняется закону Кулона.

2. Напряженность электрического поля.

Эл.поле как вид материи обладает энергией, массой, распространяется в пространстве с конечной скоростью и теоретических границ не имеет.

Практически считается, что поля нет если оно не оказывает заметного действия на пробные заряды.

Так как обнаружить поле можно с помощью силового действия на пробные заряды, то основной характеристикой электрического поля является напряженность.

Если в одну и ту же точку электрического поля вносить разные по величине пробные заряды, то между действующей силой и величиной пробного заряда прямая пропорциональная зависимость.

Коэффициентом пропорциональности между действующей силой и величиной заряда является напряженность Е.

Е = -формула расчета напряженности электрического поля, если q = 1 Кл, то | E | = | F |

Напряженность является силовой характеристикой точек электрического поля, т. к. она численно равна силе, действующей на заряд в 1 Кл в данной точке электрического поля.

Напряженность – величина векторная, вектор напряженности по направлению совпадает с вектором силы, действующей на положительный заряд в данной точке электрического поля.

3. Линии напряженности электрического поля. Однородное электрическое поле.

Для того, чтобы наглядно можно было изображать электрическое поле, т.е. графически, используют линии напряженности электрического поля. Это такие линии, иначе называемые силовыми линиями, касательные к которым по направлению совпадают с векторами напряженности в точках электрического поля через которые эти линии проходят,

Линии напряженности обладают следующими свойствами:

1) Начинаются на полож. зарядах, заканчиваются – на отрицательных, или начинаются на положител. зарядах и уходят в бесконечность, или приходят из бесконечности и заканчиваются на положительных зарядах..

2) Эти линии непрерывны и нигде не пересекаются.

3) Густота линий (кол-во линий на единицу площади поверхности) и напряженность электрического поля находятся в прямой и пропорциональной зависимости.

В однородном электрическом поле напряженность во всех точках поля одинакова, графически такие поля изображаются параллельными линиями на равном расстоянии друг от друга. Такое поле можно получить между двумя параллельными плоскими заряженными пластинами на маленьком расстоянии друг от друга.

4. Работа по перемещению заряда в электрическом поле.

Поместим в однородное электрическое поле электрический заряд. Со стороны поля на заряд будут действовать силы. Если заряд перемещать, то может совершаться работа.

Совершенная работа на участках:

А = q E d — формула расчета работы по перемещению заряда в электрическом поле.

Вывод: Работа по перемещению заряда в электрическом поле от формы траектории не зависит, а она зависит от величины перемещаемого заряда (q) , напряженности поля (Е), а также от выбора начальной и конечной точек перемещения (d).

Если заряд в электрическом поле перемещать по замкнутому контуру, то совершаемая работа будет равна 0. Такие поля называются потенциальными полями. Тела в таких полях обладают потенциальной энергией, т.о. электрический заряд в любой точке электрического поля обладает энергией и совершаемая работа в электрическом поле равна разности потенциальных энергий заряда в начальной и конечной точках перемещения.

5. Потенциал. Разность потенциалов. Напряжение.

Если в данную точку электрического поля помещать разные по величине заряды, то потенциальная энергия заряда и его величина находятся в прямой пропорциональной зависимости.

-(фи) потенциал точки электрического поля

примем

Потенциал является энергетической характеристикой точек электрического поля, т.к. он численно равен потенциальной энергии заряда в 1 Кл в данной точке электрического поля.

На равных расстояниях от точечного заряда потенциалы точек поля одинаковы. Эти точки образуют поверхность равного потенциала, и такие поверхности называются эквипотенциальными поверхностями. На плоскости это окружности, в пространстве – это сферы.

Напряжение

Формулы расчета работы по перемещению заряда в электрическом поле.

1В – напряжение между точками электрического поля при перемещении в которых заряда в 1Кл совершается работа в 1 Дж.

— формула, устанавливающая связь между напряженностью электрического поля, напряжением и разностью потенциалов.

Напряженность численно равна напряжению или разности потенциалов между двумя точками поля взятыми вдоль одной силовой линии на расстоянии 1м. Знак (-) означает, что вектор напряженности всегда направлен в сторону точек поля с уменьшающимся потенциалом.

Публикации по материалам Д. Джанколи. «Физика в двух томах» 1984 г. Том 2.

Между электрическими зарядами действует сила. Как она зависит от величины зарядов и других факторов?
Этот вопрос исследовал в 1780-е годы французский физик Шарль Кулон (1736-1806). Он воспользовался крутильными весами, очень похожими на те, которые применял Кавендиш для определения гравитационной постоянной.
Если к шарику на конце стержня, подвешенного на нити, подности заряд, стержень слегка отклоняется, нить закручивается, и угол поворота нити будет пропорционален действующей между зарядами силе (крутильные весы). С помощью этого прибора Кулон определил зависимость силы от величины зарядов и расстояния между ними.

В те времена еще не было приборов для точного определения величины заряда, но Кулон сумел приготовить небольшие шарики с известным соотношением зарядов. Если заряженный проводящий шарик, рассуждал он, привести в соприкосновение с точно таким же незаряженным шариком, то имевшийся на первом заряд в силу симметрии распределится поровну между двумя шариками.
Это дало ему возможность получать заряды, составлявшие 1/2, 1/4 и т.д. от первоначального.
Несмотря на некоторые трудности, связанные с индуцированием зарядов, Кулону удалось доказать, что сила, с которой одно заряженное тело действует на другое малое заряженное тело, прямо пропорциональна электрическому заряду каждого из них.
Другими словами, если заряд любого из этих тел удвоить, то удвоится и сила; если же удвоить одновременно заряды обоих тел, то сила станет вчетверо больше. Это справедливо при условии, что расстояние между телами остается постоянным.
Изменяя расстояние между телами, Кулон обнаружил, что действующая между ними сила обратно пропорциональна квадрату расстояния: если расстояние, скажем, удваивается, сила становится вчетверо меньше.

Итак, заключил Кулон, сила, с которой одно малое заряженное тело (в идеальном случае -точечный заряд, т.е. тело, подобно материальной точке не имеющее пространственных размеров) действует на другое заряженное тело, пропорциональна произведению их зарядов Q 1 и Q 2 и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними:

Здесь k -коэффициент пропорциональности.
Это соотношение известно как закон Кулона; его справедливость подтверждена тщательными экспериментами, гораздо более точными, чем первоначальные трудно воспроизводимые опыты Кулона. Показатель степени 2 установлен в настоящее время с точностью 10 -16 , т.е. он равен 2 ± 2×10 -16 .

Коль скоро мы теперь имеем дело с новой величиной — электрическим зарядом, мы можем подобрать такую единицу измерения, чтобы постоянная к в формуле равнялась единице. И действительно, такая система единиц еще недавно широко использовалась в физике.

Речь идет о системе СГС (сантиметр-грамм-секунда), в которой используется электростатическая единица заряда СГСЭ. По определению два малых тела, каждое с зарядом 1 СГСЭ, расположенные на расстоянии 1 см друг от друга, взаимодействуют с силой 1 дина.

Теперь, однако, заряд чаще всего выражают в системе СИ, где его единицей является кулон (Кл).
Точное определение кулона через электрический ток и магнитное поле мы приведем позднее.
В системе СИ постоянная k имеет величину k = 8,988×10 9 Нм 2 /Кл 2 .

Заряды, возникающие при электризации трением обычных предметов (расчески, пластмассовой линейки и т. п.), по порядку величины составляют микрокулон и меньше (1 мкКл = 10 -6 Кл).
Заряд электрона (отрицательный) приблизительно равен 1,602×10 -19 Кл. Это наименьший известный заряд; он имеет фундаментальное значение и обозначается символом е , его часто называют элементарным зарядом.
е = (1,6021892 ± 0,0000046)×10 -19 Кл, или е ≈ 1,602×10 -19 Кл.

Поскольку тело не может приобрести или потерять долю электрона, суммарный заряд тела должен быть целым кратным элементарного заряда. Говорят, что заряд квантуется (т.е. может принимать лишь дискретные значения). Однако, поскольку заряд электрона е очень мал, мы обычно не замечаем дискретности макроскопических зарядов (заряду 1 мкКл соответствуют примерно 10 13 электронов) и считаем заряд непрерывным.

Формула Кулона характеризует силу, с которой один заряд действует на другой. Эта сила направлена вдоль линии, соединяющей заряды. Если знаки зарядов одинаковы, то силы, действующие на заряды, направлены в противоположные стороны. Если же знаки зарядов различны, то действующие на заряды силы направлены навстречу друг другу.
Заметим, что в соответствии с третьим законом Ньютона сила, с которой один заряд действует на другой, равна по величине и противоположна по направлению силе, с которой второй заряд действует на первый.
Закон Кулона можно записать в векторной форме подобно закону всемирного тяготения Ньютона:

где F 12 — вектор силы, действующей на заряд Q 1 со стороны заряда Q 2,
— расстояние между зарядами,
— единичный вектор, направленный от Q 2 к Q 1.
Следует иметь в виду, что формула применима лишь к телам, расстояние между которыми значительно больше их собственных размеров. В идеальном случае это точечные заряды. Для тел конечного размера не всегда ясно, как отсчитывать расстояние r между ними, тем более что распределение заряда может быть и неоднородным. Если оба тела — сферы с равномерным распределением заряда, то r означает расстояние между центрами сфер. Важно также понимать, что формула определяет силу, действующую на данный заряд со стороны единственного заряда. Если система включает несколько (или много) заряженных тел, то результирующая сила, действующая на данный заряд, будет равнодействующей (векторной суммой) сил, действующих со стороны остальных зарядов. Постоянная к в формуле Закона Кулона обычно выражается через другую константу, ε 0 , так называемую электрическую постоянную, которая связана с k соотношением k = 1/(4πε 0) . С учетом этого закон Кулона можно переписать в следующем виде:

где с наивысшей на сегодня точностью

или округленно

Запись большинства других уравнений электромагнитной теории упрощается при использовании ε 0 , поскольку в окончательном результате часто сокращается. Поэтому мы будем обычно использовать Закон Кулона, считая, что:

Закон Кулона описывает силу, действующую между двумя покоящимися зарядами. Когда заряды движутся, между ними возникают дополнительные силы, и их мы обсудим в последующих главах. Здесь же рассматриваются только покоящиеся заряды; этот раздел учения об электричестве называется электростатикой .

Продолжение следует. Коротко о следующей публикации:

Электрическое поле — один из двух компонентов электромагнитного поля, представляющий собой векторное поле, существующее вокруг тел или частиц, обладающих электрическим зарядом, либо возникающий при изменении магнитного поля.

Замечания и предложения принимаются и приветствуются!

Заряды и электричество — это термины, обязательные для тех случаев, когда наблюдается взаимодействие заряженных тел. Силы отталкивания и притяжения словно исходят от заряженных тел и распространяются одновременно во всех направлениях, постепенно затухая на расстоянии. Эту силу в свое время открыл известный французский естествоиспытатель Шарль Кулон, и правило, которому подчиняются заряженные тела, с тех пор называется Закон Кулона.

Шарль Кулон

Французский ученый родился во Франции, где получил блестящее образование. Он активно применял полученные знания в инженерных науках и внес значительный вклад теорию механизмов. Кулон является автором работ, в которых изучалась работа ветряных мельниц, статистика различных сооружений, кручение нитей под влиянием внешних сил. Одна из этих работ помогла открыть закон Кулона-Амонтона, объясняющий процессы трения.

Но основной вклад Шарль Кулон внес в изучение статического электричества. Опыты, которые проводил этот французский ученый, подвели его к пониманию одного из наиболее фундаментальных законов физики. Именно ему мы обязаны знанием природы взаимодействия заряженных тел.

Предыстория

Силы притяжения и отталкивания, с которыми электрические заряды действуют друг на друга, направлены вдоль прямой, соединяющей заряженные тела. С увеличением расстояния эта сила ослабевает. Спустя столетие после того, как Исаак Ньютон открыл свой всемирный закон тяготения, французский ученый Ш. Кулон исследовал экспериментальным путем принцип взаимодействия между заряженными телами и доказал, что природа такой силы аналогична силам тяготения. Более того, как оказалось, взаимодействующие тела в электирическом поле ведут себя так же, как и любые тела, обладающие массой, в гравитационном поле.

Прибор Кулона

Схема прибора, при помощи которого Шарль Кулон делал свои измерения, приведена на рисунке:

Как можно видеть, по существу эта конструкция не отличается от того прибора, которым в свое время Кавендиш измерял величину гравитационной постоянной. Изолирующий стержень, подвешенный на тонкой нити, заканчивается металлическим шариком, которому сообщен определенный электрический заряд. К шарику приближают другой металлический шарик, а затем, по мере сближения, измеряют силу взаимодействия по степени закручивания нити.

Эксперимент Кулона

Кулон предположил, что к силе, с которой закручивается нить, можно применить уже известный тогда Закон Гука. Ученый сравнил изменение силы при различной дистанции одного шарика от другого и установил, что сила взаимодействия изменяет свое значение обратно пропорционально квадрату дистанции между шариками. Кулон сумел изменять значения заряженного шарика от q до q/2, q/4, q/8 и так далее. При каждом изменении заряда сила взаимодействия пропорционально меняла свое значение. Так, постепенно, было сформулировано правило, которое впоследствии было названо «Закон Кулона».

Определение

Экспериментальным путем французский ученый доказал, что силы, с которыми взаимодействуют два заряженных тела, пропорциональны произведению их зарядов и обратно пропорциональны квадрату расстояния между зарядами. Это утверждение и представляет собой закон Кулона. В математическом виде он может быть выражен так:

В этом выражении:

  • q- количество заряда;
  • d — расстояние между заряженными телами;
  • k- электрическая постоянная.

Значение электрической постоянной во многом зависит от выбора единицы измерения. В современной системе величина электрического заряда измеряется в кулонах, а электрическая постоянная, соответственно, в ньютон×м 2 / кулон 2 .

Последние измерения показали, что данный коэффициент должен учитывать диэлектрическую проницаемость среды, в которой проводится опыт. Сейчас величину показывают в виде соотношения k=k 1 /e, где к 1 является уже знакомой нам электрической константой, а не является показателем диэлектрической проницаемости. В условиях вакуума эта величина равна единице.

Выводы из закона Кулона

Ученый экспериментировал с различной величиной зарядов, проверяя взаимодействие между телами с различной величиной заряда. Разумеется, измерить электрический заряд в каких-либо единицах он не мог — не хватало ни знаний, ни соответствующих приборов. Шарль Кулон смог разделять снаряд, прикасаясь к заряженному шарику незаряженным. Так он получал дробные значения исходного заряда. Ряд опытов показал, что электрический заряд сохраняется, происходит обмен без увеличения или уменьшения количества заряда. Этот фундаментальный принцип лег в основу закона сохранения электрического заряда. В настоящее время доказано, что этот закон соблюдается и в микромире элементарных частиц и в макромире звезд и галактик.

Условия, необходимые для выполнения закона Кулона

Для того чтобы закон выполнятся с большей точностью, необходимо выполнение следующих условий:

  • Заряды должны быть точечными. Другими словами, дистанция между наблюдаемыми заряженными телами должна быть намного больше их размеров. Если заряженные тела имеют сферическую форму, то можно считать, что весь заряд находится в точке, которая является центром сферы.
  • Измеряемые тела должна быть неподвижными. Иначе на движущийся заряд будут влиять многочисленные сторонние факторы, например, сила Лоренца, которая придает заряженному телу дополнительное ускорение. А также магнитное поле движущегося заряженного тела.
  • Наблюдаемые тела должны находиться в вакууме, чтобы избежать воздействия потоков воздушных масс на результаты наблюдений.

Закон Кулона и квантовая электродинамика

С точки зрения квантовой электродинамики взаимодействие заряженных тел происходит посредством обмена виртуальными фотонами. Существование таких ненаблюдаемых частиц и нулевой массы, но не нулевыго заряда косвенно подтверждается принципом неопределенности. Согласно этому принципу, виртуальный фотон может существовать между мгновениями испускания такой частицы и ее поглощения. Чем меньше расстояние между телами, тем меньше времени затрачивает фотон на прохождение пути, следовательно, тем больше энергия испускаемых фотонов. При небольшой дистанции между наблюдаемыми зарядами принцип неопределенности допускает обмен и коротковолновыми и длинноволновыми частицами, а при больших расстояниях коротковолновые фотоны в обмене не участвуют.

Есть ли пределы применения закона Кулона

Закон Кулона полностью объясняет поведение двух точечных зарядов в вакууме. Но когда речь идет о реальных телах, следует принимать во внимание объемные размеры заряженных тел и характеристики среды, в которой ведется наблюдение. Например, некоторые исследователи наблюдали, что тело, несущее в себе небольшой заряд и принудительно внесенное в электрическое поле другого объекта с большим зарядом, начинает притягиваться к этому заряду. В этом случае утверждение, что одноименно заряженные тела отталкиваются, дает сбой, и следует искать другое объяснение наблюдаемому явлению. Скорее всего, здесь не идет речь о нарушении закона Кулона или принципа сохранения электрического заряда — возможно, что мы наблюдаем неизученные до конца явления, объяснить которые наука сможет немного позже.

Понятие электричества. Электризация. Проводники, полупроводники и диэлектрики. Элементарный заряд и его свойства. Закон Кулона. Напряженность электрического поля. Принцип суперпозиции. Электрическое поле как проявления взаимодействия. Электрическое поле элементарного диполя.

Термин электричество происходит от греческого слова электрон (янтарь).

Электризацией называют процесс сообщения телу электрического

заряда. Этот термин ввел в 16 веке английский ученый и врач Джилберт.

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЗАРЯД – ЭТО ФИЗИЧЕСКАЯ СКАЛЯРНАЯ ВЕЛИЧИНА, ХАРАКТЕРИЗУЮЩАЯ СВОЙСТВА ТЕЛ ИЛИ ЧАСТИЦ ВСТУПАТЬ И ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ, И ОПРЕДЕЛЯЮЩАЯ СИЛУ И ЭНЕРГИЮ ЭТИХ ВЗВИМОДЕЙСТВИЙ.

Свойства электрических зарядов:

1.В природе существуют два типа электрических зарядов. Положительные (возникают на стекле потертом о кожу) и отрицательные(возникают на эбоните потертом о мех).

2. Одноименные заряды отталкиваются, разноименные притягиваются.

3. Электрический заряд НЕ СУЩЕСТВУЕТ БЕЗ ЧАСТИЦ НОСИТЕЛЕЙ ЗАРЯДА (электрон, протон, позитрон и др.).Например с электрона и др. элементарных заряженных частиц нельзя снять э/заряд.

4.Электрический заряд дискретен, т.е. заряд любого тела составляет целое кратное от элементарного электрического заряда е (е = 1,6 10 -19 Кл). Электрон (т е = 9,11 10 -31 кг) и протон (т р = 1,67 10 -27 кг ) являются соответственно носителями элементарных отрицательного и положительного зарядов.(Известны частицы с дробным электрическим зарядом: – 1/3 е и 2/3 е – это кварки и антикварки , но в свободном состоянии они не обнаружены).

5. Электрический заряд — величина релятивистски инвариантная , т. е. не зависит от системы отсчета, а значит, не зависит от того, движется этот заряд или покоится.

6. Из обобщения опытных данных установлен фундаментальный закон природы закон сохранения заряда: алгебраическая сум-

ма электрических зарядов любой замкнутой системы (системы, не обменивающейся зарядами с внешними телами) остается неизменной, какие бы процессы ни происходили внутри этой системы.

Закон экспериментально подтвержден в 1843 г. английским физиком

М. Фарадеем ( 1791- 1867) и др., подтвержден рождением и аннигиляцией частиц и античастиц.

Единица электрического заряда (производная единица, так как определяется через единицу силы тока) — кулон (Кл): 1 Кл — электрический заряд,

проходящий через поперечное сечение проводника при силе тока 1 А за время 1с.

Все тела в природе способны электризоваться, т.е. приобретать электрический заряд. Электризация тел может осуществляться различными способами: соприкосновением (трением), электростатической индукцией

и др. Всякий процесс заряжения сводится к разделению зарядов, при котором на одном из тел (или части тела) появляется избыток положительного заряда, а на другом (или другой части тела) — избыток отрицательного заряда. Общее количество зарядов обоих знаков, содержащихся в телах, не изменяется: эти заряды только перераспределяются между телами.

Электризация тел возможна потому, что тела состоят из заряженных частиц. В процессе электризации тел могут перемещаться, находящиеся в свободном состоянии, электроны и ионы. Протоны остаются в ядрах.

В зависимости от концентрации свободных зарядов тела делятся на проводники, диэлектрики и полупроводники .

Проводники — тела, в которых электрический заряд может перемешаться по всему его объему. Проводники делятся на две группы:

1) проводники первого рода (металлы) — перенос в

них зарядов (свободных электронов) не сопровождается химическими

превращениями;

2) проводники второго рода (например, расплавленные соли, ра-

створы кислот) — перенос в них зарядов (положительных и отрицательных

ионов) ведет к химическим изменениям.

Диэлектрики (например, стекло, пластмассы) — тела, в которых практически отсутствуют свободные заряды.

Полупроводники (например, германий, кремний) занимают

промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. Указанное деление тел является весьма условным, однако большое различие в них концентраций свободных зарядов обусловливает огромные качественные различия в их поведении и поэтому оправдывает деление тел на проводники, диэлектрики и полупроводники.

ЭЛЕКТРОСТАТИКА — наука о неподвижных зарядах

Закон Кулона.

Закон взаимодействия неподвижных точечных электрических зарядов

Экспериментально установлен в 1785 г. Ш. Кулоном с помощью крутильных весов.

подобных тем, которые использовались Г. Кавендишем для определения гравитационной постоянной (ранее этот закон был открыт Г. Кавендишем, однако его работа оставалась неизвестной более 100 лет).

Точечным зарядом, называется заряженное тело или частица, размерами которых можно пренебречь, по сравнению с расстоянием до них.

Закон Кулона: сила взаимодействия между двумя неподвижными точечными зарядами, находящимися в вакууме, пропорциональна зарядам q 1 и q 2 , и обратно пропорциональна квадрату расстояния r между ними :


k коэффициент пропорциональности, зависящий от выбора системы

В СИ

Величина ε 0 называется электрической постоянной; она относится к

числу фундаментальных физических постоянных и равна:

ε 0 = 8,85 ∙10 -12 Кл 2 /Н∙м 2

векторной форме закон Кулона в вакууме имеет вид:

где — радиус вектор, соединяющий второй заряд с первым, F 12 – сила, действующая со стороны второго заряда на первый.

Точность выполнения закона Кулона на больших расстояниях, вплоть до

10 7 м, установлена при исследовании магнитного поля с помощью спутников

в околоземном пространстве. Точность же его выполнения на малых расстояниях, вплоть до 10 -17 м, проверена экспериментами по взаимодействию элементарных частиц.

Закон Кулона в среде

Во всех средах сила кулоновского взаимодействия меньше по сравнению с силой взаимодействием в вакууме или воздухе. Физическая величина, показывающая во сколько раз сила электростатического взаимодействия в вакууме больше, чем в данной среде, называется диэлектрической проницаемостью среды и обозначается буквой ε.

ε = F в вакууме / F в среде

Закон кулона в общем виде в СИ:

Свойства Кулоновских сил.

1.Кулоновские силы — это силы центрального типа, т.к. направлены вдоль прямой, соединяющей заряды

Кулоновская сила является силой притяжения, если знаки зарядов разные и силой отталкивания, если знаки зарядов одинаковые

3. Длякулоновских сил справедлив 3 закон Ньютона

4.Кулоновские силы подчиняются принципу независимости или суперпозиции, т.к. сила взаимодействия между двумя точечными зарядами не изменятся при появлении вблизи других зарядов. Результирующая сила электростатического взаимодействия, действующая на данный заряд, равна векторной сумме сил взаимодействия данного заряда с каждым зарядом системы отдельно.

F= F 12 +F 13 +F 14 + ∙∙∙ +F 1 N

Взаимодействия между зарядами осуществляются посредством электрического поля. Электрическое поле – это особая форма существования материи, посредством которой осуществляется взаимодействие электрических зарядов. Электрическое поле проявляет себя тем, что на любой другой заряд внесенный в это поле оно действует с силой. Электростатическое поле создается неподвижными электрическими зарядами и распространяется в пространстве с конечной скоростью с.

Силовая характеристика электрического поля называется напряженностью.

Напряженностью электрического в некоторой точке называют физическую величину, равную отношению силы, с которой поле действует на положительный пробный заряд, помещённый в данную точку, к модулю этого заряда.

Напряженность поля точечного заряда q:


Принцип суперпозиции: напряженность электрического поля, создаваемого системой зарядов в данной точке пространства, равна векторной сумме напряженностей электрических полей, создаваемых в этой точке каждым зарядом в отдельности (в отсутствие других зарядов).

Какое обозначение соответствует электрическому заряду. Измерение электрического заряда

Одна из базовых физических величин, которая имеет непосредственное отношение к электричеству и в частности к электротехнике — это электрический заряд . Мы привыкли к тому, что в электротехнике заряд измеряется в кулонах , но мало кто знает, что есть и другие единицы измерения электрического заряда. При расчётах электрических схем, при использовании электроизмерительных приборов применяют международную систему единиц СИ. Но знаете ли вы, что есть и другие системы измерения?

Кулон

Эта единица измерения заряда известна многим ещё со школы. Относится она, как вы уже поняли, к системе единиц СИ. Это производная величина, которая не является в системе СИ базовой. Она выводится из других величин и определяется другими величинами.

Единица измерения носит название учёного — Шарля де Огюстена Кулона, открывшего закон взаимодействия зарядов, и соответственно, электрический заряд. Обозначают сокращённо величину заряда буквами Кл , а когда речь идёт о количестве заряда — пишут его с прописными буквами — кулон .

Определение электрического заряда в системе СИ следующее:

Электрический заряд в один кулон — это такой заряд, который проходит через сечение проводника при силе тока в один ампер за время равное одной секунде.

Между зарядом и единицей в ампер-час существует связь. Один кулон электричества равен 1/3600 ампер-часа.

Франклин

Ещё одна единица и измерения заряда, которая названа в честь американского изобретателя и физика — Бенджамина Франклина. Его портрет можно увидеть на стодолларовой купюре США. Эта единица относится к системе величин СГСЭ, в которой базовыми являются такие единицы как сантиметр, грамм и секунда. По другому эту систему единиц называют абсолютной системой физических единиц и она широко использовалась до принятия системы СИ (принята в 1960 году).

Сокращённо единица измерения записывается как Фр (русское) или Fr (английское).

Определение электрического заряда в системе СГСЭ следующее:

Количество электрического заряда в один Франклин — это такое количество заряда, что два разноимённых заряда по одному франклину, находящихся в вакууме на расстоянии одного сантиметра, будут притягиваться друг к другу с силой в один дин.

Как видно из определения, оно отличается от того, что приведено для системы СИ. Разница прежде всего в том, что в системе СИ заряд выражается через силу тока и исходя из этого определяется, а в системе СГСЭ заряд выражен через .

Система СГСЭ удобна для вычислений и исследований в физике, а система СИ более удобна для практических нужд электротехники.

Закон Кулона, имеющий непосредственное отношение к зарядам, в системе СИ и СГС (СГСЭ), записываются по разному. Единицу заряда в 1 Кл можно перевести в 1 Фр и наоборот.

Существует также планковская система естественных единиц измерения и в ней также имеется электрический заряд. Эта система была впервые предложена немецким физиком Максом Планком 1899 году на основе скорости света и гравитационной постоянной и ещё двух введённых им констант.

Обозначается q p . Основная единица измерения, которая определяется в терминах фундаментальных констант. Определяется следующим образом:

Все тела состоят из неделимых мельчайших частиц, называемых элементарными. Они имеют массу и способны притягиваться друг к другу. По закону всемирного тяготения, при увеличении расстояния между частицами относительно медленно убывает (она обратно пропорциональна квадрату расстояния). Сила взаимодействия частиц превосходит Это взаимодействие и называют «электрический заряд», а частицы — заряженными.

Взаимодействие частиц называют электромагнитным. Оно свойственно большинству элементарных частиц. Если же его между ними нет, то говорят об отсутствии заряда.

Электрический заряд определяет степень интенсивности Он является важнейшей характеристикой элементарных частиц, которая определяет их поведение. Обозначается буквами «q» либо «Q».

Макроскопического эталона единицы электрического заряда не существует, поскольку создать его не представляется возможным из-за его неизбежной утечки. В атомной физике за единицу принимают заряд электрона. В Международной системе единиц она устанавливается с помощью Заряд в 1 кулон (1 Кл) обозначает, что он проходит при силе тока в 1 А за 1 с через Это довольно высокий заряд. Небольшому телу сообщить его невозможно. Но в нейтральном проводнике привести в движение заряд в 1 Кл вполне реально.

Электрический заряд является скалярной физической величиной, которая характеризует способность частиц или тел вступать в электромагнитное силовое взаимодействие между собой.

При изучении взаимодействия важным является представление о точечном заряде. Он являет собой заряженное тело, размеры которого гораздо меньше расстояния от него до точки наблюдения или других заряженных частиц. При взаимодействии двух точечных зарядов расстояние между ними является гораздо большим, чем их линейные размеры.

Частицы обладают противоположными зарядами: протоны — положительным, электроны — отрицательным. Эти знаки (плюс и минус) отражают способность частиц притягиваться (при разных знаках) и отталкиваться (при одном). В природе положительные показатели и отрицательные скомпенсированы между собой.

Одинаков по модулю, независимо от того, положительный ли он, как у протона, или отрицательный, как у электрона. Минимальный заряд называется элементарным. Им обладают все заряженные частицы. Отделить часть заряда частицы невозможно. Минимальное значение определяется экспериментально.

Электрический заряд и его свойства можно измерять с помощью электрометра. Он состоит из вращающейся вокруг горизонтальной оси стрелки и металлического стержня. Если к стрежню прикоснуться положительно заряженной палочкой, то стрелка отклонится на определенный угол. Это объясняется распределением заряда по стрелке и стержню. Поворот стрелки обусловлен действием силы отталкивания. При увеличении заряда возрастает и угол отклонения от вертикали. То есть он показывает значение заряда, который передается стрежню электрометра.

Выделяют следующие свойства электрического заряда. Они могут быть положительными и отрицательными (выбор названий случаен), которые притягиваются и отталкиваются. Заряды способны передаваться при контакте от одних тел другим. Одно тело в разных условиях может обладать разными зарядами. Важным свойством является дискретность, что означает существование наименьшего, универсального заряда, которому кратны аналогичные показатели любых тел. Внутри замкнутой системы алгебраическая сумма всех зарядов остается постоянной. В природе заряды одного знака не возникают и не исчезают одновременно.

Признаком того, что тело имеет электри-ческий заряд , является его взаимодействие с другими телами. Об этом шла речь в предшествующем параграфе. Но такое вза-имодействие в каждом отдельном случае по интенсивности может быть разным. Это дает основание утверждать, что свойство тела, называющееся электрическим зарядом, мо-жет иметь количественную меру.

Термин «электрический заряд» часто употребляют и просто для обозначения «тела, имеющего электрический заряд».

Количественную меру электрического за-ряда сначала назвали количеством электри-чества . Но со временем эта мера получила название просто электрического заряда . Итак, если говорят о значении электрического заряда, то подразумевают количественную меру свойства тела — электрического заряда.

Электрический заряд — это свойство тела, проявляющее-ся во взаимодействии с элект-ромагнитным полем. Электрический заряд — это также ме-ра свойства тела, имеющего электрический заряд.

Значение заряда про-тяженного тела обозначается буквой Q. Если же речь идет о заряде точечного тела, то он обозначается маленькой буквой q.

Для измерения электрического заряда ис-пользуют специальные приборы. Одним из таких приборов является электрометр .

Главная часть электрометра — это метал-лический стержень, закрепленный в метал-лическом корпусе с помощью втулки из непроводящего вещества (рис. 4.4). В нижней части стержня находится легкая металли-ческая стрелка, которая может вращаться на горизонтальной оси. Ось стрелки прохо-дит несколько выше ее центра масс. Под действием только силы тяжести стрелка в обычном состоянии будет находиться в вер-тикальном положении. Материал с сайта

Если верхнего конца стержня коснуться заряженным металлическим шариком, то стержень и стрелка получат электрический заряд. Вследствие взаимодействия одноимен-но заряженных стержня и стрелки возникнет сила, которая повернет стрелку на опреде-ленный угол. Экспериментально установле-но, что угол отклонения стрелки будет за-висеть от значения заряда на стержне и стрелке. Таким образом, измерив угол от-клонения стрелки, можно сделать вывод о значении электрического заряда. Чтобы на стрелку не влияли другие тела, металли-ческий корпус обязательно соединяют с зем-лей.

В технике и научных исследованиях ис-пользуют более сложные и более чувстви-тельные приборы для измерения электри-ческих зарядов, которые называют кулон-метрами (рис. 4.5). Это, как правило, элект-ронные приборы, принцип действия кото-рых основан на явлении изменения пара-метров некоторых элементов электронных систем при сообщении им электрического заряда.

Вопросы по этому материалу:

Тест по физике » Электродинамика.Закон Кулона»

Электродинамика. Закон Кулона

Задание #1

Вопрос:

Электродинамика — это…

Выберите один из 4 вариантов ответа:

1) Ветвь электростатики

2) Ветвь физики

3) Наука о поведении электрических полей

4) Наука, изучающая электрические заряды

Задание #2

Вопрос:

Сколько родов электрических зарядов существует?

Выберите один из 4 вариантов ответа:

1) 1

2) 2

3) 3

4) 4

Задание #3

Вопрос:

Выберете верные утверждения об элементарном заряде

Выберите несколько из 5 вариантов ответа:

1) Численно равен заряду электрона

2) Это заряд любой субатомной частицы

3) Это наименьший заряд в природе

4) Это заряд, который не переносится

5) Это заряд, который не делится

Задание #4

Вопрос:

Первый шарик имеет заряд 120 нКл, а второй шарик имеет заряд -200 нКл. Шарики абсолютно одинаковые. При их соприкосновении, какой заряд окажется на втором шарике?

Выберите один из 5 вариантов ответа:

1) -40 нКл

2) -80 нКл

3) -320 нКл

4) 120 нКл

5) 320 нКл

Задание #5

Вопрос:

Электростатика — это…

Выберите один из 4 вариантов ответа:

1) Ветвь электродинамики, изучающая взаимодействие между движущимися зарядами

2) Ветвь электродинамики, изучающая взаимодействие между покоящимися зарядами

3) Ветвь электродинамики, статистически обосновывающая взаимодействие между электрическими зарядами

4) Правильного ответа нет

Задание #6

Вопрос:

Сопоставьте величины в электродинамике с аналогичными величинами в механике

Укажите соответствие для всех 3 вариантов ответа:

1) G

2) m

3) r

__ q

__ k

__ r

Задание #7

Вопрос:

В каких единицах измеряется коэффициент пропорциональности в законе Кулона?

Выберите один из 4 вариантов ответа:

1)

2)

3)

4)

Задание #8

Вопрос:

Сила взаимодействия между двумя разноименно заряженными шариками равна 25 Н. Шарики имеют одинаковый по модулю заряд и находятся на расстоянии 15 см друг от друга. Найдите модуль заряда шариков (в мкКл).

Запишите число:

___________________________

Задание #9

Вопрос:

На рисунке указаны два разноименно заряженных шарика, модуль заряда которых равен 120 нКл. Масса шарика, подвешенного на нерастяжимой нити равна 20 мг. Найдите силу натяжения нити (в мкН), если расстояние между центрами шариков составляет 50 см.

Изображение:

Запишите число:

___________________________

Задание #10

Вопрос:

Найдите модуль силы (в Н) взаимодействия между зарядами 2 мкКл и 3 мкКл, если расстояние между ними равно 40 см.

Запишите число:

___________________________

Ответы:

1) (1 б.) Верные ответы: 2;

2) (1 б.) Верные ответы: 2;

3) (1 б.) Верные ответы: 1; 3; 5;

4) (1 б. ) Верные ответы: 1;

5) (1 б.) Верные ответы: 2;

6) (1 б.) Верные ответы:

2;

1;

3;

7) (1 б.) Верные ответы: 4;

8) (1 б.): Верный ответ в диапазоне от 20 до 20,41.;

9) (1 б.): Верный ответ в диапазоне от 714 до 718,4.;

10) (1 б.): Верный ответ: 0,34.;

Конец

Системы единиц — Технарь

Теперь необходимо ввести какую-нибудь систему единиц (к сожалению, все существующие системы неудобны для наших целей), с помощью которой мы могли бы измерять заряды. Вспомним, что из закона движения Ньютона можно получить единицу силы, если длину измерять в сантиметрах, время — в секундах, а единицу массы задавать. В теории электричества обычно исходят из закона Кулона:

и определяют заряд и постоянную через единицы силы и длины. Эта довольно неуклюжая процедура получила широкое распространение из-за того, что во времена Кулона уже существовали единицы силы и длины. В системе сантиметр-грамм-секунда (СГС) сила измеряется в динах, расстояние — в сантиметрах и время — в секундах. Если в законе Кулона положить постоянную равной единице, то можно получить единицу заряда (электростатическая единица, или сокращенно эл. ст. ед.). В этом случае закон Кулона записывается весьма удобно:

Электростатическая единица заряда — это такой заряд, которым обладает каждая из двух точечных частиц, расположенных на расстоянии 1 см друг от друга и взаимодействующих с силой в 1 дин (фиг. 273). (Постоянный множитель в законе Кулона при этом равен единице.)

В «практической» системе, или системе МКС, расстояние измеряется в метрах, масса — в килограммах, время — в секундах, а в качестве единицы заряда выбран кулон (определенный независимо от закона Кулона). Поскольку заряд в 1 Кл определен не из закона Кулона, постоянная теперь не равна единице (почему, собственно, она должна быть равной 1?), и закон Кулона в системе МКС принимает вид1)

Эта форма записи закона Кулона менее удобна, во-первых, потому, что во всех формулах приходится писать дополнительный постоянный множитель, и, во-вторых, потому, что единица заряда в системе МКС слишком велика (табл. 9).

Для нужд теории элементарных частиц велика даже электростатическая единица. Здесь в качестве единицы заряда предпочитают использовать заряд электрона. Заряд же в 1 Кл слишком велик даже для макроскопической теории. Например, два тела, расположенные на расстоянии 1 м друг от друга, с зарядом в 1 Кл каждое, взаимодействуют с силой в 9*109 Н. С другой стороны, электростатическая единица заряда для макроскопической теории слишком мала.

1) Точное значение постоянной равно 8,9875…*109.

Преимущество системы СГС состоит в том, что в ней основные уравнения записываются в более простом виде. Поскольку мы будем в основном заниматься приложениями этих правил и уравнений, в дальнейшем будет использоваться главным образом система СГС. В системе же МКС, где единицей заряда служит кулон, разность потенциалов измеряется в вольтах, а ток — в амперах; так как в обыденной жизни мы больше привыкли к вольтам и амперам, эти единицы кажутся для нас более наглядными. Мы будем пользоваться преимущественно системой СГС и иногда переводить некоторые величины в вольты и амперы, чтобы получить о них хоть какое-то представление.

В зависимости от обстоятельств на практике часто меняют используемые единицы с целью максимального удобства. Нет смысла пользоваться исключительно одной системой единиц, так как любая система, удобная в одном отношении, может оказаться крайне неудобной в другом. В обыденной жизни вес лекарств измеряется в унциях, а вес угля — в тоннах.

Закон Кулона. Единица электрического заряда

Электростатика — это ветвь электродинамики, которая изучает взаимодействие покоящихся зарядов.

Проводя свои опыты, Шарль Кулон пришел к выводу, что сила взаимодействия между двумя покоящимися зарядами прямо пропорциональна величине зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.

Обратите внимание, насколько похожа эта формулировка на формулировку закона всемирного тяготения. Да и сам эксперимент, проведенный Шарлем Кулоном, очень напоминает эксперимент Генри Кавендиша. Кулон тоже использовал крутильные весы, находящиеся в цилиндре, в котором был откачан весь воздух. Стеклянная палочка, на которой укреплены два одинаковых металлических шарика, подвешена на тонкой упругой проволочке.

Один из металлических шариков является заряженным, а другой служит противовесом. К заряженному шарику подводится третий шарик, с одноименным зарядом той же величины. В результате шарики начинают отталкиваться, что приводит к закручиванию проволочки. По этому закручиванию можно определить силу взаимодействия, а расстояние между шариками можно узнать с помощью несложных измерений. Основная сложность заключалась в изменении величины заряда, поскольку в то время даже не было единиц измерения электрического заряда. Однако Кулон предположил (и это предположение верно), что одинаковые шарики одинаково заряжаются при соприкосновении. Иными словами, если прикоснуться незаряженным шариком к заряженному шарику тех же размеров и массы, то заряд разделится пополам. Таким образом, Шарль Кулон нашел способ уменьшать заряд в 2, 4, 8 и более раз. Итак, закон Кулона гласит следующее: сила взаимодействия двух точечных зарядов в вакууме прямо пропорциональна произведению модулей зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними:

Данную силу взаимодействия часто называют силой Кулона или кулоновской силой. Напомним, что точечными зарядами обладают тела, размерами которых можно пренебречь по сравнению с расстоянием между ними.

Закон Кулона также применим, если оба тела имеют правильную форму, то есть форму шара. В этом случае, за расстояние между телами принимается расстояние между центрами этих тел. В формуле, описывающей закон Кулона, k — это коэффициент пропорциональности, о котором мы поговорим чуть позже. Для вычисления силы Кулона мы используем модули зарядов, а, следовательно, можем определить только модуль силы. Как вы понимаете, если мы подвесим заряженные шарики на нитях, то они будут либо притягиваться, либо отталкиваться. Таким образом, силы взаимодействия между двумя неподвижными точечными зарядами направлены вдоль прямой, проходящей через эти заряды. Исходя из третьего закона Ньютона, шарики действуют друг на друга с силами равными по модулю и противоположными по направлению.

Как вы знаете из курса физики восьмого класса, величина электрического заряда измеряется в кулонах, именно в честь Шарля Кулона, который открыл только что изученный нами закон. 1 Кл — это заряд, проходящий через поперечное сечение проводника за 1 с при силе тока 1 А.

Теперь мы можем вернуться к коэффициенту пропорциональности в законе кулона и определиться с его единицами измерения:

Надо сказать, что 1 Кл — это очень большой заряд. Даже находясь на расстоянии 200 м друг от друга, два точечных разноименных заряда будут притягиваться примерно с той же силой, с которой Земля притягивает укомплектованный истребитель.

Напомним теперь, что заряд электрона является наименьшим зарядом в природе:

Необходимо отметить, что заряд любого тела всегда кратен минимальному заряду, поскольку к телу может присоединиться только целое число электронов:

Однако, если речь идет о заряде многократно превышающим минимальный заряд, то проверять кратность не имеет смысла. Тем не менее, в ядерной физике данное правило очень важно.

Хотелось бы еще раз отметить, насколько закон Кулона похож на закон всемирного тяготения. В обоих случаях силы взаимодействия обратно пропорциональны квадрату расстояния. Также, кулоновская сила прямо пропорциональна произведению модулей зарядов, а сила тяготения прямо пропорциональна массам. Это тоже является очевидным сходством (если считать заряды за количество электричества, а массу за количество вещества). Даже области применения и того, и другого закона совпадают. Оба закона применимы к материальным точкам или к телам сферической формы.

Примеры решения задач.

Задача 1. Два равных по модулю разноимённых точечных заряда взаимодействуют с силой, равной 10 Н. Определите величину этих зарядов, если они находятся на расстоянии 5 м друг от друга.

Задача 2. Два одинаковых шарика висят на нитях так, как показано на рисунке. После того, как шарикам сообщили заряды, равные 0,3 мкКл, они разошлись на расстояние, равное 36 см. Если натяжение на каждой нити равно 45 мН, то чему равен угол альфа, указанный на рисунке?

Физика своими словами — LiveJournal

Изучение электрических явлений обычно начинают с рассмотрения электростатического поля.

Итак, электростатическое поле — это неизменное во времени поле, которое создается покоящимися электрическими зарядами.
В этом простом определении важно обратить внимание вот на что. Известно, что заряд создает электромагнитное поле, но покоящийся заряд создает только электрическое. Это объясняется тем, что когда заряд покоится, то не возникает сила Лоренца, которая зависит от скорости заряженной частицы, поэтому и не возникает магнитная составляющая электромагнитного поля.

Известно, что в электростатическом поле справедлив закон Кулона, который подозрительно похож на закон Всемирного тяготения Ньютона. Это совпадение совсем не случайно. Об этом я расскажу совсем скоро.

Закон Кулона: два неподвижных электрических заряда отталкивают или притягивают друг друга с силой, пропорциональной произведению величин зарядов и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними.

Закон в векторной форме. k — коэффициент пропорциональности.

Закон Кулона позволяет находить силу с которой одна частица действует на другую. Конечно, можно говорить, что он определяет силу взаимодействия двух частиц, но почему-то такое опредленение вызывает путаницу при решении задач.

В законе Кулона важное физическое значение имеют утверждения об обратной зависимости силы от квадрата расстояния и об аддитивности действия электрических зарядов.

Для простоты закон Кулона используют для точечных зарядов, то есть зарядов, размерами которых можно пренебречь в условиях данной задачи. Понятие точечного заряда аналогично понятию материальной точки, для которой также пренебрегали размерами.

Сила в законе Кулона является ньютоновской, поэтому для нее справедлив 3 закон Ньютона: F=-F

Равновесие зарядов
Нужно добавить, что заряды, создающие электростатическое поле, покоятся под действием неэлектрических сил, например, силы тяжести. Существует теорема Ирншоу, которая утверждает невозможность удержания зарядов в равновесии с помощью только электрических сил, то есть если на заряды действуют только электрические силы, то их равновесная конфигурация будет неустойчива.

Доказательство аддитивности действия электрических зарядов

Рассмотрим систему состоящую из трех зарядов q1, q2, q3.
q1 и q2 поместим условно на расстоянии 10 см друг от друга, а заряд q3 на очень большом расстоянии, из закона Кулона понятно, что он практически не будет действовать на заряды q1 и q2. Затем измерим силу, с которой заряд q2 действует на заряд q1.

Теперь поменяем заряды q2 и q3 местами и измерим силу, с которой заряд q3 действует на q1.

И затем поместим заряды q2 и q3 максимально близко друг к другу на расстоянии 10 см от q1. Будем считать q2 и q3 за один заряд. Измерим с какой силой он деййствует на q1.

Окажется, что сила, действующая на q1, равна сумме первоначально измеренных сил. Этот вывод доказывает утверждение об аддитивности действия электрических зарядов. Также из вывода следует, что сила взаимодействия двух зарядов не изменяется при наличии третьего заряда ( и любого количества зарядов).

Принцип суперпозиции

Независимо от числа зарядов, входящих в систему, закон Кулона можно использовать для вычисления взаимодействия каждой пары. Отсюда следует принцип суперпозиции.

Принцип суперпозиции: сила, действующая на заряд, расположенный в любой точке объединенной системы зарядов, представляет собой векторную сумму сил, которые создаются каждыми зарядами системы в отдельности и действуют на заряд в этой точке.

Принцип суперпозиции не справедлив при очень малых расстояниях или при действии очень больших сил.

Электрический заряд и ток — Электрические цепи — AQA — GCSE Combined Science Revision — AQA Trilogy

Существует два типа тока: постоянный и переменный. В постоянном токе поток электронов постоянно движется в одном направлении по цепи. В переменном токе направление потока электронов постоянно меняется на противоположное.

Заряд

Электроны — отрицательно заряженные частицы, передающие энергию по проводам в виде электричества.

Заряд — это свойство тела, на которое действует сила электрического поля.Заряд измеряется в кулонах (Кл).

Поскольку электроны очень малы, и один электрон не будет иметь большого значения в любом месте, полезнее ссылаться на пакеты электронов. Один кулон заряда — это упаковка, эквивалентная 6 250 000 000 000 000 000 электронов.

Ток

Электрический ток представляет собой поток электронов.

При протекании тока совершается электрическая работа и передается энергия. Количество заряда, проходящего через точку цепи, можно рассчитать по уравнению:

заряд = ток × время

\[Q = I \times t\]

Это когда:

  • заряд ( Q ) измеряется в кулонах (Кл)
  • ток ( I ) измеряется в амперах (А)
  • время ( t ) измеряется в секундах (с)

Один ампер – это ток, протекающий при кулон заряда проходит точку цепи за одну секунду.

Пример

Ток силой 1,5 ампер (А) протекает через простую электрическую цепь.

Сколько кулонов заряда проходит через точку за 60 секунд?

\[Q = I \times t\]

\[Q = 1,5 \times 60\]

\[Q = 90°C\]

Вопрос

Сколько зарядов переместилось при наличии тока тока 13 А за 10 с?

Открыть ответ

\ [q = i \ times t \]

\ [q = 13 \ times 10 \]

\ [q = 130 ~ C \]

Вопрос

Какой ток протекает, если 10 Кл проходит по проводу за 2 с?

Показать ответ

\[Q = I \times t\]

\[I = \frac{Q}{t}\]

\[I = \frac{10}{2}\]

\[I = 5 A\]

Измерение тока

Ток измеряется с помощью амперметра.Чтобы измерить ток через компонент, амперметр должен быть включен последовательно с этим компонентом.

Электрическая мощность измеряется в кулонах? – JanetPanic.com

Электрическая мощность измеряется в кулонах?

Кулон определяется как количество электричества, переносимого за одну секунду силой тока в один ампер.

Как измеряется электрическая мощность?

Электричество измеряется в ваттах и ​​киловаттах Электричество измеряется в единицах мощности, называемых ваттами, названными в честь Джеймса Ватта, изобретателя паровой машины.Ватт – это единица электрической мощности, равная одному амперу при напряжении в один вольт. Один ватт – это небольшая мощность.

Ток измеряется в кулонах?

Электрический ток — это скорость потока заряда в цепи. Ток (I) измеряется в амперах (А) с помощью амперметра. Заряд (Q) измеряется в кулонах (Кл).

Сколько кулон умножить на вольт?

ампер. Один джоуль также можно определить следующим образом: работа, необходимая для перемещения электрического заряда в один кулон через разность электрических потенциалов в один вольт или один кулон-вольт (C⋅V).Это соотношение можно использовать для определения вольта.

Как найти мощность Кулона?

Если напряжение (В) равно джоулю на кулон (V = J/C), а ампер (I) равно заряду (кулон) в секунду (A = Q/t), то мы можем определить электрическую мощность (P) как совокупность этих двух величин. Это связано с тем, что электрическая мощность также может быть равна напряжению, умноженному на ампер, то есть: P = V*I.

Как найти электроны из Кулонов?

Как преобразовать заряд электрона в кулоны.Чтобы преобразовать измерение заряда электрона в измерение кулона, разделите электрический заряд на коэффициент преобразования. Электрический заряд в кулонах равен заряду электрона, деленному на 6,2415E+18.

Что такое единица электроэнергии?

ватт
Электрическая мощность – это скорость в единицу времени, с которой электрическая энергия передается по электрической цепи. Единицей мощности в СИ является ватт, один джоуль в секунду.

Как найти мощность кулонов?

Является ли электрический ток кулонами в секунду?

Тогда ампер был определен как один кулон заряда в секунду.В СИ единица заряда, кулон, определяется как заряд, переносимый силой одного ампера в течение одной секунды…

ампер
Назван в честь Андре-Мари Ампер

Как соотносятся вольты с кулонами?

Единица напряжения Где: напряжение в вольтах, Дж — работа или энергия в джоулях, а С — заряд в кулонах. Таким образом, если J = 1 джоуль, C = 1 кулон, то V будет равно 1 вольту.

Как рассчитать напряжение по джоулям и кулонам?

Чтобы преобразовать джоули в вольты, вы должны разделить джоули на кулоны, что даст вольты.Пример: у вас есть энергия 58 джоулей и 33 кулона, скольким вольтам они эквивалентны. Чтобы узнать ответ, необходимо разделить 58/33, что даст: 1,75 Вольта.

Что такое электрическая мощность и как она измеряется?

Применительно к электрической цепи электрическая мощность — это скорость в единицу времени, с которой электрическая энергия передается по электрической цепи. Из определения видно, что: Единицей мощности является ватт, который обозначается символом W и назван в честь шотландского инженера Джеймса Уатта (1736–1819).

Как рассчитать ток в электрической цепи?

Расчет электрического тока. Электрический ток измеряется скоростью потока электрического заряда в электрической цепи: i(t) = dQ(t) / dt. Мгновенный ток определяется производной электрического заряда по времени. i(t) — мгновенный ток I в момент времени t в амперах (А).

Что такое электрическая единица электрического тока?

Ампер (А) Ампер — это электрическая единица электрического тока.Он измеряет количество электрического заряда, протекающего в электрической цепи за 1 секунду.

Что измеряется в вольтах?

Мощность батареи, линии электропередач, нервы и молнии — это всего лишь несколько вещей, измеряемых в вольтах. Мультиметр — это обычный бытовой инструмент, используемый для измерения электрического заряда между двумя точками. Ом – это единица электрического сопротивления. Он назван в честь Георга Симона Ома, немецкого физика.

Кулон метр

Кулон метр

Вернуться к оглавлению.

Кулонометр

В этой статье дается описание самодельного кулоновского счетчика.
 

Введение: что такое кулон
Кулон (Кл) — единица измерения электрического заряда.
Когда тело электрически нейтрально (не заряжено), число протонов равно равно числу электронов в нем.
Когда протонов больше, чем электронов, возникает положительный заряд.
Когда электронов больше, чем протонов, возникает отрицательный заряд.18 электронов.
Один кулон – это количество электрического заряда, переносимого за одну секунду постоянный ток в один ампер.
 

Примеры заряда
Мы можем создать заряд, например, потирая стержень из ПВХ шерстью.
Палочка становится отрицательно заряженной, а шерсть положительно.
Заряд, полученный таким образом, может составлять несколько нанокулонов (нКл) на квадратный сантиметр.

Еще одним примером заряда является заряженный конденсатор.
Положительный полюс конденсатора имеет избыток протонов, а отрицательный полюс имеет равный избыток электронов.
Заряд (в кулонах), хранящийся в конденсаторе, равен напряжению на емкость (в вольтах), умноженная на емкость (в фарадах).
 

Как измерить заряд.
Одно из свойств заряда состоит в том, что заряды противоположного знака будут притягиваться друг к другу. разное.
Заряженное тело любит притягивать равное количество противоположного заряда.
Мы можем использовать это свойство для создания кулоновского метра.

На этой картинке мы видим:
Отрицательно заряженный изолированный стержень (А) по которому будем определять заряд.
Металлическая пластина (B), соединенная с кулоновским измерителем и расположенная рядом с заряженным стержень .
Кулонометр состоит из конденсатора (С) с вольтметром на нем.
Нижний вывод конденсатора соединен с массой

Когда стержень A подносится к пластине B, отрицательно заряженный стержень A притягивают равный положительный заряд к пластине B.
Заряд, идущий к пластине B, исходит от верхней пластины конденсатора, оставляя это отрицательно заряжено.
Это притянет равный положительный заряд от земли к нижней пластина конденсатора.
Теперь конденсатор C заряжен, и вольтметр может измерить напряжение на нем. пропорциональна измеренному заряду.

Измерение работает лучше всего (наиболее точно), когда стержень (A) находится очень близко к тарелке (В).
Они могут даже касаться друг друга, это не имеет значения для измерения.
В точках, где они соприкасаются, противоположные заряды компенсируют друг друга, оставляя оба стержня A и пластина B разряжена.
Но конденсатор С остается заряженным.

В этой постановке только заряд планшайбы удилища B (на короткое расстояние) измеряется.
Остальная часть стержня на некотором расстоянии от пластины B также может быть заряжена, но это мало влияет на измерение.
Это потому, что притяжение между зарядами уменьшается с квадратом расстояние между ними.
 

Принципиальная схема кулоновского счетчика

Разъем CN1 является входным разъемом кулоновского измерителя.
Разъем CN2 должен быть заземлен.
Конденсатор C1 преобразует заряд в напряжение.
Поскольку C1 равен 100 нФ, каждый вольт на C1 соответствует заряду 100 нКл.
C1 должен иметь низкий ток утечки и должен быть рассчитан на напряжение не менее 100 Вольт.
Компонент A1 представляет собой газоразрядную трубку , она защищает вход от напряжения выше 90 вольт.

Операционный усилитель IC1 представляет собой буферный усилитель с коэффициентом усиления +1.
Наиболее важными свойствами для этого усилителя являются.
— Очень высокий входной импеданс, в данном случае около 1000 ГОм.
— Очень низкий входной ток, в данном случае около 3 пА.
Оба свойства важны для предотвращения дрейфа выходного сигнала кулоновского измерителя. по его измеренному значению

С помощью потенциометра R4 можно отрегулировать выходное напряжение усилителя точно до 0 Вольт (при замыкании входа на землю).
Это убирает входное напряжение смещения ОУ, в моем случае можно было подрегулировать выходное напряжение от -13 мВ до + 7 мВ с R4.

Резистор R1 ограничивает входной ток операционного усилителя до безопасного значения ниже 1 мА, в случае напряжение на C1 достигает 90 Вольт.Резистор
R5 был рекомендован в описании ОУ. CA3140E на случай, если входное напряжение может быть выше напряжения питания Напряжение.

Схема питается от аккумуляторных батарей, положительное напряжение питания составляет +4,8 Вольт.
Отрицательное напряжение питания составляет -2,4 Вольта.
При такой конфигурации выход может достигать плюс-минус 2 Вольта, что я хотел погонять цифровой вольтметр.
Суммарное напряжение питания не выше необходимого, чтобы усилитель оставался входной ток как можно меньше.

Светодиод D1 является индикатором включения, а также указывает на состояние батарей.
Пока D1 светится ярко, батарейки в порядке.
Общий ток потребления схемы около 5 мА.


Взгляд внутрь кулоновского счетчика.
Как видите, операционный усилитель лежит вверх ногами.
Он крепится к медной печатной плате с некоторым количеством теплоотводящего компаунда между ними.
Это делается для того, чтобы операционный усилитель оставался как можно более холодным, и благодаря этому операционный усилитель входной ток как можно меньше.


Самодельный кулоновский счетчик.
Красный разъем вверху — это вход (CN1).
Черный справа — это разъем заземления (CN2).
2 разъема внизу — это выходы вольтметра.
Потенциометр предназначен для снятия напряжения смещения.


Зонд для измерения заряда поверхности, подключается к входной разъем кулоновского измерителя.
Зонд имеет алюминиевую пластину площадью 10 см
 


Перед началом измерения кулонометр необходимо разрядить, замкнув накоротко соединение заземления с входным соединением.
Теперь вольтметр должен показывать 0,000 Вольт.
В конце концов отрегулируйте потенциометр, если есть некоторое напряжение смещения.
 


Кулонометр в действии.
Заряженная пластина из плексигласа удерживается прямо над зондом.
Каждый вольт на вольтметре соответствует 100 нКл (нанокулон) заряда.
Итак, в данном случае мы измеряем заряд -4,1 нКл.
Поскольку зонд имеет площадь 10 см, заряд оргстекла составляет -0,41 нКл на см.
Когда заряженная поверхность не касается зонда, прибор вернется в исходное положение. ноль после того, как заряженная поверхность будет удалена от зонда.
 


Когда заряженная поверхность касается зонда, заряд может передаваться от поверхность к зонду.
Теперь заряд хранится в кулоновом счетчике и останется там, когда (теперь разряжена) поверхность отодвигается от зонда.

Расширение диапазона измерения


Для измерения больших количеств заряда диапазон измерения кулоновского метр можно просто удлинить.
Просто подключите дополнительную емкость между входом и разъемом заземления.
На этом рисунке я добавил конденсатор на 10 мкФ.
Диапазон измерения теперь составляет 10,1 мкКл на вольт.
Если вам нужно ровно 10 мкКл/В, вы можете использовать 3 конденсатора по 3,3 мкФ параллельно, или выберите конденсатор 10 мкФ с допуском -1%.

Дрейф напряжения
После зарядки кулоновского измерителя выходное напряжение должно оставаться постоянным, т.к. пока вы не добавите новый заряд.
Но на практике будет некоторый ток утечки, который будет медленно разряжаться конденсатор С1.
Это приводит к тому, что выходное напряжение медленно отклоняется от измеренного напряжения.
Другой причиной дрейфа напряжения является входной ток микросхемы IC1, которая медленно заряжается. конденсатор С1, особенно это видно при выходном напряжении около 0 вольт.

На этом рисунке показан дрейф напряжения моего кулоновского измерителя.
Дрейф выходного напряжения (в мВ) показан как функция времени.
Красная линия показывает, когда кулонометр заряжается до -1,5 Вольт.
Желтая линия — это когда кулонометр заряжен до +1,5 Вольта.
Синяя линия соответствует разряженному кулонометру (0 вольт).

При измерениях в течение длительного времени дрейф напряжения может повлиять на результаты измерений.
Но для быстрых измерений эффектом дрейфа напряжения можно пренебречь.
 

Вернуться к оглавлению.

Является ли электрический ток более фундаментальным, чем заряд?

Вот взгляд на электричество, с которым я еще не сталкивался в другом месте.

Ампер гораздо легче измерить, чем Кулон, если измерение должны быть выполнены с предельной точностью.Время (секунды) также легко мера. Следовательно, всякий раз, когда речь идет о физических стандартах, Ампер измеряются секунды и вычисляется значение стандартного кулона. от этих измерений.

К сожалению, эта концепция имеет очень большое и неоправданное влияние на преподавание физики и по учебным материалам. Появляется в уродливом, скрученная форма. Появляется как утверждение, что электрический ток больше «реальный», чем заряд. Это даже кажется непроверенным предположением педагогов. что электрические токи реальны, а электрический заряд есть просто абстрактное понятие.Не правда!

Та же ошибка появляется в школьных учебниках K-12, где утверждается, что «количество электричества» измеряется в амперах, а не в кулонах. То в тех же книгах утверждается, что «текущее электричество» является фундаментальным типом электрическое вещество, и они часто заявляют, что «ток» — это вещество, которое течет внутри проводов. Тем не менее, «материал», который течет по проводам называется зарядом, а не током.

Та же проблема возникает в текстах более высокого уровня, где студентов учат об Амперах, но редко им дают достаточно информации, чтобы правильно визуализируйте Амперы с точки зрения текущих Кулонов.Иногда студенты учил сначала об электрическом токе и Амперах, а уже потом (если при все) учили о Кулонах и об электронном море металлов, которое течет.

Мысль о том, что «амперы более реальны», также неуловимо проступает во всем не- тексты по научной электронике, где авторы акцентируют внимание на токе, на амперах. Они постоянно говорят о текущем движении «течения» и упоминайте только о текущем заряде.

Заблуждение распространилось настолько далеко, что заразило электрические инженерия.Наши учебники рассказывают нам о «нынешних перевозчиках» и о законе «сохранения тока» в цепях. Ни один не существует. Носители заряда существуют. Заряд сохраняется. Но электрический ток может появляются и исчезают и не подпадают ни под один закон сохранения. Сохранение тока? Частицы, сделанные из тока? Это просто странно!

Такое же искаженное представление проявляется и в широко распространенном убеждении, что заряд призрачный и неважный, а электрический ток реальный и похожий на вещество.

И это проявляется в идее, что электрический заряд относится только к «статическим электричество», явление, которое считалось в основном бесполезным (статическое прилипание, дверная ручка искрит) или даже опасны (молния). И наоборот, электрический Предполагается, что ток применим к современным технологиям почти всех видов.

Я долго задавался вопросом, откуда возникли эти различные заблуждения, но в последнее время я подозреваю, что они имеют общее происхождение. я считаю, что наш причиной может быть метод стандартизации физических единиц.Общее нитью этих заблуждений является заблуждение, что ампер больше *фундаментальный*, чем кулоны, где слово «фундаментальный» ошибочно используется в народном смысле, а не в специальном значении, относящемся к к стандартным физическим единицам: «фундаментальные» единицы по сравнению с «производными» единицами.

В повседневном мире, используя популярное значение слова «фундаментальный», мы сказал бы, что сохраняющиеся количества более фундаментальны, чем скорости. Для Например, килограммы более фундаментальны, чем килограммы в секунду, объем больше фундаментальнее, чем скорость потока, расстояние (метры) более фундаментально, чем скорость, джоули энергии более фундаментальны, чем ватты энергетический поток и др.Например, было бы нелепо вводить понятие скорости учащимся, которые плохо понимают расстояние или время. Или представить галлоны в секунду тому, кто никогда не сталкивался с вода перед.

Но в электричестве многие считают наоборот, что ток реален и что плата абстрактна. Они будут яростно сражаться, чтобы защитить свою веру. Немного авторы описывают Амперы как основные единицы, а укажите, что кулоны являются производными от ампер. Они могут представить Ампер для студентов, которые не имеют представления о Кулоне.Они пишут как бы «электричество» всегда измеряется в Амперах, при этом еще и пишут, что заряд представляет собой абстрактную и трудную для понимания концепцию, включающую в себя странную единицу, называемую … не кулон, а ампер-секунда. (Зарядка, это ампер РАЗ секунд, так что заряд, очевидно, должен быть абстрактным математическим понятием?)

Я говорю, наоборот. Кулоны являются фундаментальными, в то время как амперы просто удобное упрощение, жаргонный термин, означающий «Кулоны в секунду».» Да, да, кулон является производным эталоном, а ампер – Фундаментальный стандарт. Тем не менее, электрический заряд является фундаментальным, и электрический ток — это просто скорость потока заряда. Кулоны – это сохраняющиеся количество, как «материал», а Амперы — нет.

Кажется, это нарушает утверждение о том, что «амперы являются фундаментальными, в то время как кулоны выведены». Но это утверждение на самом деле говорит, что «физический эталон ампер измеряется непосредственно, в то время как стандарт для кулонов получен из ампер и секунд.» Это не говоря, что Амперы являются фундаментальными, это только обсуждает, какая единица легче измерить с точностью.

При объяснении электричества я предлагаю не пытаться учить студентов о альтернативные определения слова «фундаментальный» и избегайте преподавания Базовые и производные единицы (по крайней мере, в младших классах). Мы следует придерживаться определения «фундаментальный», которое большинство студентов уже знаете. Я верю, что неопытный ученик найдет гораздо больше смысла в утверждении:

ЗАРЯД БОЛЕЕ ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЙ, ЧЕМ ТЕКУЩИЙ.КУЛОНЫ ЯВЛЯЮТСЯ ФУНДАМЕНТАЛЬНЫМИ СУЩНОСТЬ, В то время как «АМПЕР» ЯВЛЯЕТСЯ ОБОЗНАЧЕНИЕМ «КУЛОНОВ В СЕКУНДУ».

«Реальным» является заряд, а ток — скорость; поток; ан абстрактное понятие.

Идем дальше … Я также считаю, что учащимся было бы лучше, если бы период, термин «Ампер» придержали до более поздних классов, так что элементарное электричество преподавалось на основе понятия заряда и ценности заряд в секунду. Если были введены дополнительные термины, они должны быть термины «Кулон» и «Кулон в секунду».Термин «Ампер» инженерную стенографию, и ее следует знакомить только со студентами, имеющими большой опыт мышления с точки зрения «кулонов в секунду».

Итак, как убедить издателя учебников принять эти идеи? серьезно, когда он или она может открыть почти любую книгу по физике и найти четкое утверждение, что «амперы являются основной единицей измерения»?


 

Как измерить статическое электричество? – СидмартинБио

Как измерить статическое электричество?

Есть по крайней мере три прибора, которые мы можем использовать для измерения статического электричества: электростатические измерители поля, кулоновские измерители, использующие цилиндры Фарадея, и бесконтактные электростатические вольтметры.Единственный измеритель, который действительно измеряет заряд, — это кулонометр.

Что такое статический счетчик?

Измеритель электростатического поля, также называемый измерителем статического электричества, представляет собой инструмент, используемый в индустрии статического контроля. Используется для бесконтактного измерения электростатического заряда объекта. Эта сила преобразуется в вольты, измеряя как начальное пиковое напряжение, так и скорость, с которой оно спадает.

Можно ли измерить статическое электричество?

Статическое электричество – это избыток или дефицит электронов, который измеряется в кулонах.Поскольку невозможно измерить заряд материала в кулонах, измеряется напряженность электрического поля или поверхностное напряжение, связанное со статическим зарядом. Это общепринятый метод измерения статики в промышленности.

Какова единица статического заряда?

кулонов
Статический заряд в кулонах прямо пропорционален избытку или недостатку электронов, т.е. количеству несбалансированных ионов. Кулон — это основная единица электрического заряда, которая представляет избыток или недостаток электронов.(Ампер тока — это перемещение 1 кулона заряда в секунду).

Какая единица используется для измерения статического заряда?

Статический заряд измеряется в кВ и определенной полярности напряжения. Для измерения в киловольтах необходим очень высокий импеданс. Simco предлагает вам измерительное оборудование, чтобы узнать больше о статическом электричестве.

Можно ли обнаружить статическое электричество?

Электроскоп — это прибор для обнаружения наличия статического электричества.Он состоит из двух тонких металлических лепестков, подвешенных на металлическом крючке.

Можно ли проверить статическое электричество?

Электроскоп — это устройство, которое может обнаруживать статическое электричество с помощью тонких металлических кусочков, которые разделяются при наличии электрического заряда. Вы можете построить очень простой электроскоп, используя несколько простых предметов домашнего обихода. Вам понадобится стеклянная банка с пластиковой крышкой, алюминиевая фольга и дрель.

Что вы подразумеваете под статическим зарядом?

Статическое электричество является результатом дисбаланса между отрицательными и положительными зарядами в объекте.Эти заряды могут накапливаться на поверхности объекта до тех пор, пока не найдут способ высвободиться или разрядиться. Трение некоторых материалов друг о друга может привести к передаче отрицательных зарядов или электронов.

Какие бывают 3 вида статического электричества?

Существует три типа образования статического электричества: контактное, отрывное и фрикционное накопление статического электричества. Контактное накопление статического электричества — один из самых простых методов создания статического электричества. В этом типе статической генерации заряд генерируется просто двумя объектами, контактирующими друг с другом и разделяющимися.

Что такое статическое электричество простыми словами?

Статическое электричество означает увеличение электрического заряда на поверхности объектов. Этот электрический заряд остается на объекте до тех пор, пока он либо не стечет в землю, либо быстро не потеряет свой заряд в результате разряда. Перезарядка может происходить в таких условиях, как трение и разделение разных предметов.

Может ли мультиметр измерять статическое электричество?

Для измерения статического заряда мы используем измерительное оборудование с датчиком напряжения.Измерение статического электричества с помощью мультиметра невозможно, так как входное сопротивление слишком низкое. Статический заряд измеряется в кВ и определенной полярности напряжения. Для измерения в киловольтах необходим очень высокий импеданс.

Как можно измерить статическое электричество?

Соберите материалы. Электроскоп — это устройство, которое может обнаруживать статическое электричество с помощью тонких металлических кусочков, которые разделяются при наличии электрического заряда. Вы можете построить очень простой электроскоп, используя несколько простых предметов домашнего обихода.Вам понадобится стеклянная банка с пластиковой крышкой, алюминиевая фольга и дрель.

Какие машины используют статическое электричество?

Копировальные аппараты, краскораспылители, дефибрилляторы и некоторые освежители воздуха используют статическое электричество либо для поддержки своих функций, либо в качестве основного компонента. Хотя промышленные дымовые трубы и не являются машиной, они используют статическое электричество, чтобы задерживать загрязнения внутри с противоположным зарядом.

Почему я генерирую так много статического электричества?

Статическое электричество возникает из-за того, что ваше тело улавливает свободные электроны, когда вы ходите по коврам.Когда у вас на теле есть дополнительные электроны, и вы прикасаетесь к металлическому проводнику, например к дверной ручке, электроны устремляются в объект, и вы получаете небольшой удар током.

Можете ли вы обнаружить статическое электричество?

Ученик А не прав, потому что статическое электричество может быть обнаружено с помощью принципа электростатической индукции, который укажет, есть ли статическое электричество на поверхности объекта. Устройство, которое может обнаруживать статическое электричество, называется электроскопом.

Закон Кулона: физика, определение и уравнение

На протяжении многих лет эксперименты, особенно те, которые проводил Шарль-Огюстен де Кулон, показали, что два или более электрических заряда действуют друг на друга.Одна из самых интересных и важных особенностей этой силы заключается в том, что она не зависит от массы изучаемых объектов. Чтобы понять величины, от которых зависит эта сила, мы должны изучить закон Кулона .

Кулон

определение закона и уравнение

Закон Кулона — это закон физики, который гласит, что когда два или более электрически заряженных объекта находятся достаточно близко друг к другу, они действуют с силой друг на друга. Величина этой силы пропорциональна суммарному заряду частиц и обратно пропорциональна квадрату расстояния между изучаемыми частицами.

Вот как мы запишем закон Кулона математически:

 

F — величина силы между зарядами, q 1 и q 2 — заряды, измеренные в кулонах, r — расстояние между измеренными зарядами в метрах, а k – постоянная Кулона со значением 8,99 ⋅ 10 9 Н·м 2 /C 2 .

Сила называется электростатической силой, и представляет собой векторную величину , измеряемую в ньютонах.

Кулон

закон: электростатическая сила между двумя зарядами

Важно отметить, что существуют две силы когда два электрических заряда действуют друг на друга. Взгляните на изображение ниже: первая сила — это сила, с которой первый заряд действует на второй заряд F 12 , а вторая сила — это сила, с которой второй заряд действует на первый заряд F 21 . Мы знаем, что одинаковых зарядов отталкиваются, а разноименные притягиваются друг к другу.В физике это не что иное, как сама электростатическая сила.

Одноименные заряды отталкиваются (вверху), а разноименные притягиваются (внизу), Oğulcan Tezcan — StudySmarter Originals

Важно знать, что электрическая сила F не является постоянной . Когда заряды воздействуют друг на друга, они либо сближаются, либо отталкивают друг друга. В результате изменяется расстояние между ними (r), что влияет на величину электрической силы между ними.

Для этого объяснения мы рассматриваем электростатические силы, где » статический» относится к постоянному положению зарядов источника .

Атом водорода в основном состоянии состоит из одного электрона и одного протона. Вычислите силу, действующую на протон со стороны электрона, если расстояние между ними составляет 5,29 ⋅ 10 -11 метров.

Решение

Мы знаем, что электроны и протоны имеют одинаковый заряд, но с разным знаком. В этом примере мы рассматриваем и электрон, и протон как точечные заряды. Пусть s обозначают электрон как q , а протон как q 2 .


В вопросе также указано расстояние между двумя зарядами. Подставим известные переменные в закон Кулона.

Поскольку заряды взяты точечными, сила, с которой протон действует на электрон, будет одинаковой. Таким образом, направление этой силы будет силой притяжения (по отношению друг к другу) , так как разноименные заряды притягиваются.

Кулон

закон: электростатическая сила между несколькими зарядами

Теперь мы знаем, что происходит, когда два заряда действуют друг на друга, но что происходит, когда существует несколько зарядов? Когда имеется несколько зарядов, влияющих друг на друга, мы должны одновременно принимать во внимание два заряда.

Цель состоит в том, чтобы найти результирующие электростатические силы , которые эти множественные заряды действуют на другой точечный заряд, называемый тестовым зарядом . Причина этого заключается в том, чтобы найти величину электростатической силы, которую могут обеспечить эти множественные заряды. Чтобы найти результирующую электростатическую силу, действующую на пробный заряд, воспользуемся принципом суперпозиции . Этот принцип позволяет нам рассчитать индивидуальную электростатическую силу каждого заряда на тестовом заряде, а затем сложить эти отдельные силы вместе в виде векторов.Мы можем выразить это математически следующим образом:


Q — тестовый заряд.

На рис. 2, учитывая, что q = 2e, q = -4e, заряд пробного заряда равен Q = -3e, а d = 3,0 ⋅ 10 -8 м, найти сеть электростатическая сила, действующая на тестовый заряд Q.

Диаграмма, показывающая, как три точечные частицы оказывают друг на друга электростатические силы, Oğulcan Tezcan — StudySmarter Originals

Решение

Поскольку в вопросе указаны заряды и расстояния между этими зарядами , начнем с нахождения одной из величин силы.Сначала найдем F 2Q .



Поскольку q 2 и Q подобны зарядам, эта сила будет действовать на Q в левом направлении по оси x. Теперь пусть s найдут величину электростатической силы, действующей на Q со стороны q 1 .

Так как q и Q разноименные заряды, эта сила будет направлена ​​вверх по оси y. Мы должны сложить эти два вектора вместе, чтобы найти результирующую электростатическую силу, действующую на заряженную частицу Q.Мы можем видеть, что:


Если мы подставим найденные значения, мы получим:


И чтобы найти угол между осью x и результирующим вектором силы, мы можем найти тангенс угол а.


И если мы решим для а, мы получим:


Кулон

s Закон — Ключевой вывод
  • Закон Кулона — это закон физики, который утверждает закон физики, который утверждает достаточно друг к другу, они оказывают силу друг на друга.
  • Величина этой силы пропорциональна суммарному заряду частиц и обратно пропорциональна квадрату расстояния между частицами.
  • Сила взаимодействия зарядов друг с другом называется электростатической силой.
  • Одноименные заряды отталкиваются, а разноименные притягиваются.
  • При нахождении результирующей электростатической силы между несколькими зарядами мы берем одновременно две силы и вычисляем их электростатические силы. Затем мы складываем все силы вместе (в виде векторов), чтобы найти результирующую силу.

Закон Кулона

Закон Кулона — это закон физики, который гласит, что когда два или более электрически заряженных объекта находятся достаточно близко друг к другу, они действуют друг на друга с силой.Величина этой силы пропорциональна суммарному заряду частиц и обратно пропорциональна квадрату расстояния между изучаемыми частицами.

Вы можете найти q1 и q2 в законе Кулона, используя уравнение: F = k .(q1.q2/r 2 ) где F — величина силы между зарядами, q 1 и q 2 — заряды, измеряемые в кулонах, r — расстояние между зарядами, измеряемое в метрах. , а k – постоянная Кулона со значением 8,99 ⋅ 10 9 Нм 2 /C 2 .

Закон Кулона справедлив только для точечных зарядов.Это связано с тем, что при соединении двух заряженных тел распределение заряда не остается равномерным.

Финальная викторина по закону Кулона

Вопрос

Что из следующего верно для подобных частиц?

Вопрос

От какой из следующих величин не зависит электростатическая сила между двумя зарядами?

Ответить

Масса частиц.

Вопрос

Что из перечисленного описывает зависимость между величиной электростатической силы между двумя частицами и расстоянием между ними?

Ответить

Они обратно пропорциональны.

Ответить

Закон Кулона — это закон, который гласит, что когда два или более электрически заряженных объекта находятся достаточно близко друг к другу, они действуют друг на друга с силой, называемой электростатической силой.

Вопрос

Почему закон Кулона справедлив для точечных зарядов?

Ответить

Закон Кулона справедлив только для точечных зарядов.Это связано с тем, что при соединении двух заряженных тел распределение заряда не остается равномерным.

Вопрос

Даны два заряда со значениями q = (1e) и q = (-1e), а расстояние между ними равно r = 6.58 ⋅ 10 -11 метров. Какова величина электростатической силы, действующей на q 1 ?

Вопрос

Является ли электростатическая сила векторной или скалярной величиной?

Вопрос

Какой принцип используется при нахождении суммарной электростатической силы, действующей на заряженную частицу несколькими зарядами?

Вопрос

Почему электрическая сила непостоянна?

Ответить

Потому что, когда заряды толкают или притягивают друг друга, расстояние между ними меняется.

Вопрос

Как называется электрическая сила частиц с постоянным положением?

Ответить

Название электрической силы частиц с постоянным положением — электростатическая сила.

Вопрос

Какой из следующих законов физики гласит: «Когда два или более электрически заряженных объекта находятся достаточно близко друг к другу, они воздействуют друг на друга»?

Вопрос

Что из следующего является символом заряда частицы?

Вопрос

Зависит ли электростатическая сила между двумя зарядами от расстояния между ними?

Вопрос

Зависит ли электростатическая сила между двумя зарядами от массы зарядов?

Вопрос

Какая из следующих единиц используется для зарядки?

Общая физика II

Электрика Поля

Помните, В ОТЛИЧИИ заряды притягиваются,

или

и ПОДОБНЫЕ заряды отталкивают,

или

Что определяет величину этой электрической силы F?

Сила F прямо пропорциональна зарядам Q и д,

Ф Вопрос

Сила F обратно пропорциональна квадрат расстояние г между обвинениями,

Ф 1 / р 2

Ф 1 / р 2

Ф 1 / р 2

Мы можем объединить их как

Ф Q к/р 2

Пока пропорциональность ар хорош для качественных дискуссий и сравнений, уравнения много легче использовать для расчетов.Мы можем изменить это на уравнение с постоянная соразмерность , л.

F = kQq/r 2

Эта константа пропорциональности k зависит от единиц мы используем. Если мы измеряем силу F в ньютонах (Н), расстояние r в метрах (м), а заряжает Q и q в кулонах (Кл), то k имеет значение из

к = 9 х 10 9 Н м 2 2

Теперь мы должны спросить, что такое кулон заряда, в любом случае?

Электрический заряд электрона или протона обозначен e и равен .. .

Закон Кулона описывает силу F между двумя электрическими заряды, Q и q, на расстоянии r друг от друга,

Какова сила между двумя положительными зарядами, 1 С и 2 С, когда их разделяет расстояние 1 м?

Помните, сила — это вектор .Закон Кулона позволяет нам рассчитать величину электрической силы, но мы должны еще имейте ввиду что сила это вектор!

Пример Кулона Закон

Мы также когда-нибудь запишем эту «постоянную Кулона» как

, где «эпсилон-ноль»

и известен как «диэлектрическая проницаемость свободного пространства». Это имя звучит более зловеще, чем нужно. Это просто еще одна форма «постоянной Кулона» — и ничего больше! Там основные ситуации или основные уравнения, в которых мы получаем фактор

, что удобнее записать в виде


Возможно, вы смотрели на Cavendish Balance, когда Вы говорили о гравитации.Кавендиш использовал очень деликатный весы для измерения невероятно малых сил. Кулон при измерении электрические силы, имели большие силы для работы. Вот эскиз весов, которые он использовал для измерения электрических сил и определить один над r-квадрат характеристикой электрического сила:

(с) Дуг Дэвис, 2002 г.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.