К середине массивного проводника: К середине массивного проводника, соединяющего два незаряженных электрометра, поднесли отрицательно заряженную палочку. Как

Физика Электрический заряд и элементарные частицы. Закон сохранения электрического заряда

Материалы к уроку

Конспект урока

Электродинамика – это наука о свойствах и закономерностях поведения особого вида материи – электромагнитного поля, осуществляющего взаимодействие между электрически заряженными телами или частицами. Раздел электродинамики, посвященный изучению покоящихся электрически заряженных тел, называют электростатикой.

Со словами электричество, электрический заряд, электрический ток вы встречались много раз и успели к ним привыкнуть. Но попробуйте ответить на вопрос: «Что такое электрический заряд?» — и вы убедитесь, что это не так-то просто. Дело в том, что понятие заряд – это основное первичное понятие, которое не сводится на современном уровне развития наших знаний к каким-либо более простым, элементарным понятиям.

Мельчайшие частицы, из которых состоят все тела и которые не делимы на более простые, называются элементарными. Они имеют массу и благодаря этому притягиваются друг к другу согласно закону всемирного тяготения. То есть подчиняются законам макромира: с увеличением расстояния между частицами сила тяготения убывает обратно пропорционально квадрату этого расстояния. Но сила взаимодействия элементарных частиц в огромное число раз превосходит силу тяготения.

Дадим определение понятию «элементарный заряд». Если частицы взаимодействуют друг с другом с силами, которые убывают с увеличением расстояния также как и силы всемирного тяготения, но превышают силы тяготения во много раз, то говорят, что эти частицы имеют электрический заряд. Сами частицы называют заряженными. Стоит отметить, что бывают частицы без электрического заряда, но не существует электрического заряда без частицы.

Взаимодействие между заряженными частицами носит название электромагнитных. Электрический заряд определяет интенсивность электромагнитных взаимодействий подобно тому, как масса определяет интенсивность гравитационных взаимодействий. Благодаря гравитационному взаимодействию макротела во Вселенной располагаются упорядоченно и сохраняют свою форму из-за электромагнитного взаимодействия между элементарными частицами, из которых они состоят.

В природе существуют частицы с электрическими зарядами двух видов, иначе говорят двух противоположных знаков; при зарядах одинаковых знаков частицы отталкиваются, а при разных знаках – притягиваются. Между положительными и отрицательными зарядами внутренних различий нет. Заряд элементарных частиц – протонов, входящих в состав всех атомных ядер, называют положительным, а заряд электронов – отрицательным. Если бы знаки зарядов частиц поменялись местами, то от этого характер электромагнитных взаимодействий нисколько бы не изменился.

Рассмотрим взаимодействие наэлектризованных султанчиков. Мы видим, как одноименно заряженные листочки султана отталкиваются, а разноименно заряженные – притягиваются.

Электрический заряд элементарных частиц, который  является количественной мерой электромагнитного взаимодействия  частиц, – это особая характеристика частицы. Электрический заряд делим. Существует элементарный электрический заряд, его несут в себе частицы электрон или протон. Также как и масса, энергия, импульс, дискретность заряда характеризуют материю в микромире.

На основании опытов по электролизу

(окислительно-восстановительный процесс, когда оседает вещество на электроде при прохождении электрического тока в растворе) Майкл Фарадей установил: заряды имеются в атомах всех химических элементов.

В 1899 г. Джосеф Джон Томсон доказал реальность существования электронов. 

В 1909 г. Роберт  Милликен впервые измерил заряд электрона, он оказался равным 16 квинтиллионным Кулонам.

 В 1919 г.    Эрнест Резерфорд при бомбардировке  азота альфа-частицами обнаружил положительно заряженную частицу – протон. Здесь в уравнении ядерной реакции протон обозначают как пэ-1-1.

Только электроны и протоны могут неограниченно долго существовать в свободном состоянии. Существуют и другие элементарные частицы, которые живут ничтожно мало: меньше миллионных долей секунды. Они рождаются при столкновении быстрых элементарных частиц и, просуществовав совсем чуть-чуть, распадаются, превращаясь в другие частицы. Этот процесс в микромире в возбужденном состоянии происходит непрерывно.

По своему строению атом напоминает Солнечную систему. Подобно тому как планеты, притягиваясь к Солнцу, движутся вокруг него, электроны в атоме движутся вокруг ядра, удерживаемые силой притяжения к нему.

Если атом увеличить так, чтобы ядро приняло размер мелкой монеты, то расстояние между ядром и электронами стало бы равно целому километру!

Для обнаружения и измерения электрических зарядов применяется электроскоп, который состоит из металлического стержня — электрода и подвешенных к нему двух листочков фольги. При прикосновении к электроду заряженным предметом заряды стекают через электрод на листочки фольги, листочки оказываются одноимёнными заряженными и поэтому отклоняются друг от друга.

Для измерения значения электрического заряда Михаилом Васильевичем Ломоносовым был придуман и изобретен электрометр, состоящий из металлического стержня и стрелки, которая может вращаться вокруг горизонтальной оси. При соприкосновении заряженного тела со стрежнем электрометра электрические заряды распределяются по стержню и стрелке, и силы отталкивания, действующие между одноимёнными зарядами на стержне и стрелке, вызывают её поворот.

К частицам, не имеющим электрического заряда, относится нейтрон. Его масса лишь незначительно превышает массу протона. Нейтроны вместе с протонами входят в состав атомного ядра. Атом любого вещества в целом нейтрален, так как число электронов в нем равно числу протонов в ядре. Положительно и отрицательно заряженные частицы связаны друг с другом электрическими силами и образуют нейтральные системы.

Макроскопическое тело считаем электрически заряженным в том случае, если оно содержит избыточное количество элементарных частиц с одним знаком заряда. Тело имеет отрицательный заряд, если на нем находится избыток электронов по сравнению с протонами, а положительный – недостаток электронов. Для того чтобы получить электрически заряженное макроскопическое тело, то есть наэлектризовать его, нужно отделить часть отрицательного заряда от связанного с ним положительного. Это можно сделать с помощью трения. Этим самым мы отдаем электрону последнего уровня дополнительную энергию, чтобы он оторвался от ядра атома. При этом происходит перераспределение имеющихся зарядов между телами, нейтральными в первый момент, новые частицы не возникают, а существовавшие ранее не исчезают.

Если поднести к электрометру заряженную стеклянную палочку, стрелка электрометра отклоняется, показывая, что он зарядился. Мы не касались стержня электрометра палочкой, а только поднесли ее близко к стержню. Почему же электрометр зарядился? Ответ прост. Стержень электрометра электрически нейтрален. При поднесении положительно заряженной стеклянной палочки на ближайшем конце стержня накапливаются разноименные заряды, а на удаленном конце стержня одноименные заряды. Снова наблюдается перераспределение зарядов, но в пределах одного тела.

 К середине массивного проводника, соединяющего два незаряженных электрометра, поднесли отрицательно заряженную палочку. Как распределится заряд на электрометрах? 

Правильный ответ: оба будут заряжены отрицательно, а проводник – положительно.

Мелкие бумажки, мелкие кусочки фольги притягиваются к наэлектризованной палочке.

Под действием поля палочки часть свободных электронов смещается в нижнюю часть — в часть В. Часть А заряжается положительно, часть В –отрицательно. К палочке ближе часть А, поэтому силы притяжения преобладают над силами отталкивания. 

В справочниках можно найти список веществ, записанных в порядке убывания энергии связи электрона  с атомами. Например, в соответствии со этим списком можно утверждать, что электроны на шерсти кошки закреплены слабее, чем на дереве. При трении кошка заряжается положительно, дерево — отрицательно.

При электризации тел выполняется закон сохранения электрического заряда. В замкнутой системе алгебраическая сумма зарядов всех частиц остается неизменной. Если заряды частиц обозначить через (кю1, кю2) q_1,  q₂,   и т.д., то q₁+ q₂+ q₃+…+ q_n = const. Но элементарные частицы могут превращаться друг в друга, рождаться и исчезать, давая жизнь новым частицам. Однако во всех случаях заряженные частицы рождаются парами с одинаковыми по модулю и противоположными по знаку зарядами; исчезают заряженные частицы тоже парами, превращаясь в нейтральные. И во всех этих случаях сумма зарядов остается одной и той же. 

Металлический шарик 1, укреплённый на длинной изолирующей ручке и имеющий заряд (плюс кю) +q, приводят поочерёдно в соприкосновение с двумя такими же шариками 2 и 3, расположенными на изолирующих подставках и  имеющими соответственно заряды (минус кю) – q и (плюс кю) +q.  Какой заряд останется в результате на шарике 3?

По закону сохранения заряда при соприкосновении шара 1 шара 2 происходит нейтрализация шара 1. При соприкосновении шара 1 с шаром 3 половина заряда на шаре 3 перетекает в шар 1. Шар 1 приобретает заряд равный половине кю. Правильный ответ -2.

 Доказано, что электрический заряд во Вселенной сохраняется. Полный электрический заряд Вселенной, скорее всего, равен нулю; число положительно заряженных элементарных частиц равно числу отрицательно заряженных элементарных частиц.

Явление электризации тел учитывается на производстве и применяется на практике. Например, большие электрические заряды накапливаются при трении шин об асфальт при сухой погоде. Возникает опасность проскакивания искры. Поэтому сзади машин – цистерн для горючего прикрепляют металлические цепи, волочащиеся по дороге. 

Другой пример. Явление электризации тел позволяет в современных копировальных установках (ксерокс и др. установки) распылять порошок и краску по бумаге. 

Из-за электризации удается обнаружить отпечатки пальцев при экспертизе.

 Электризацию используют при покраске  изделий из металла. Движущиеся на конвейере детали заряжают положительно, а  краску, распыляемую из пульверизатора,- отрицательно. Частички краски устремляются к детали и оседают на ней. Получается тонкий, плотный, прочный слой. Краски расходуется значительно меньше.

Примеров можно приводить бесконечно: электрофотография; обогащение руд; очистка зерна; смешение разнородных материалов; нанесение ворсового покрова; напыление порошков и т. д.

Заглянем в историю.

То что все вещества состоят из атомов, утверждал еще Демокрит (400 лет до нашей эры). Он был большим путешественником, и его любимым изречением было: «Не существует ничего, кроме атомов и чистого пространства, все остальное — воззрение».

 «Электричество» произошло от греческого слова электрон – янтарь. Янтарь – это окаменевшая смола хвойных деревьев, которые росли на Земле сотни тысяч лет назад. Электризация янтаря трением  была известна еще до нашей эры. 

Фалес Милетский (624–547 гг. до нашей эры) обнаружил, что янтарь, потёртый о мех, приобретает свойство притягивать пушинки, соломинки.

Легенда гласит: … дочь Фалеса пряла шерсть янтарным веретеном. Уронив его однажды в воду, стала обтирать веретено шерстяным хитоном и заметила, что к веретену пристало несколько шерстинок, и чем сильнее она вытирала веретено, тем больше налипало шерстинок. Девушка рассказала об этом явлении отцу, тот провёл эксперимент с различными изделиями, и все они вели себя одинаково…

Первые эксперименты, связанные с электризацией в науке относят к работам Вильяма (Уильяма) Гильберта, английского ученого и врача. Именно он первым попытался наэлектризовать несколько различных тел. Ему это удалось, но не с металлическими предметами. Поэтому он посчитал, что   металлические предметы наэлектризовать нельзя.

В 1733 году французский ученый Шарль Дюфе выяснил, что существует электричество двух родов, в высокой степени отличных один от другого. «Один род я называю стеклянным электричеством, другой — смоляным. … Тело, наэлектризованное стеклянным электричеством, отталкивает все тела со стеклянным электричеством, и, обратно, оно притягивает тела со смоляным электричеством», писал он. Как видите, Ш. Дюфе обнаружил, что «стеклянным» электричеством можно наэлектризовать не только стекло, а любое тело. Полвека спустя термины «стеклянное» и «смоляное» электричество были заменены на другие: «положительный» и «отрицательный» заряд. Эти названия сохранились до сегодняшнего дня: 

+q   – положительный заряд (так заряжается стекло, потертое о шелк; шерсть, потертая об эбонит).

–q   – отрицательный заряд (заряд шелка при трении о стекло; заряд эбонита при трении о шерсть).

Дальнейшие исследования частиц показали, что их нельзя считать элементарными. Каждая из этих частиц при взаимодействии с другими частицами и атомными ядрами может превращаться в другие частицы. Поэтому термин «элементарная частица» является условным.

  Сегодня обнаружено около 400 элементарных частиц.

Хронология физики элементарных частиц на сегодняшний день такова.

Открытие электрона принадлежит Джосеф Джон Томсону, он доказал реальность существования электронов в 1899 году.

В 1910-1919 гг.    Эрнест Резерфорд при бомбардировке  азота альфа-частицами обнаружил протон.

В 1918 году был обнаружили позитрон, который возникает при ядерных явлениях и живет ничтожно мало.

Фотон – переносчик световой энергии. При поглощении или испускании фотона электроном последний переходит на следующий энергетический уровень в электронной оболочке атома радиоактивного вещества. 

Двадцатый век – это время расцвета науки квантовая механика, время, когда человек заглянул в удивительный микромир.      

Но все эти частицы являются нестабильными, т.е. они сразу распадались на частицы с меньшими массами, в конечном счете, превращаясь в стабильные протон, электрон, фотон и нейтрино (и их античастицы). Для любой элементарной частицы есть своя античастица. Античастица — частица, имеющая ту же массу и спин, но противоположные значения зарядов всех типов.

Спин демонстрирует, что существует пространство состояний, никак не связанное с перемещением частицы в обычном пространстве.

Все известные элементарные частицы делятся на два класса:

1)    фермионы, которые составляют вещество; 

2)    бозоны, через которые осуществляется взаимодействие фермионов.

Фермионы подразделяются на лептоны и кварки.

Кварки участвуют в сильных взаимодействиях, а также в слабых и в электромагнитных.  Заряды кварков дробные. Кварки в сегодняшней Вселенной существуют только в связанных состояниях. Например, в протоне, в нейтроне.

Рассмотрим носителей электрического заряда в различных средах.

Носителями заряда в металлах являются электроны. Под действием электрического поля электроны приходят в упорядоченное движение, в металле возникает электрический ток. Ионы металла не принимают участия в переносе электрического заряда.

При нагревании или освещении некоторые электроны приобретают возможность свободно перемещаться внутри кристалла, так что при приложении электрического поля возникает направленное перемещение электронов. Эти кристаллы назовем полупроводниками. Полупроводники представляют собой нечто среднее между проводниками и изоляторами. Изоляторы не пропускают электрический заряд, а, значит, и электрический ток. У полупроводников с понижением температуры сопротивление возрастает и вблизи абсолютного нуля они практически становятся изоляторами.

Носителями свободных зарядов в жидкостях являются положительно и отрицательно заряженные ионы растворенного вещества. Водные растворы неорганических кислот, солей и щелочей, расплавы назовем электролитами. С ростом температуры растёт количество ионов в электролитах.

Два рода зарядов: положительный и отрицательный участвуют в электризации тел, которая возникает при трении или при поляризации тела в электрическом поле. Поляризация – явление, когда заряженные частицы меняют свою ориентацию внутри вещества под влиянием внешнего электрического поля. В процессе электризации одноименные заряды отталкиваются, разноименные – притягиваются. Электрически нейтральное тело сначала притягивает заряженное, после того как оно будет заряжено тем же зарядом, оба тела будут отталкиваться.

Остались вопросы по теме? Наши репетиторы готовы помочь!

• Подготовим к ЕГЭ, ОГЭ и другим экзаменам

• Найдём слабые места по предмету и разберём ошибки

• Повысим успеваемость по школьным предметам

• Поможем подготовиться к поступлению в любой ВУЗ

Выбрать репетитораОставить заявку на подбор

Проводники и диэлектрики в электрическом поле

1.

проводники и диэлектрики в электрическом поле

ПРОВОДНИКИ И
ДИЭЛЕКТРИКИ
В ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ ПОЛЕ
Сайчук Е.В. учитель физики высшей
категории ЛСИТ № 34
http://files.school-collection.edu.ru/dlrstore/669ba063-e921-11dc-95ff-0800200c9a66/3_1.swf
http://files.school-collection.edu.ru/dlrstore/669ba065-e921-11dc-95ff-0800200c9a66/3_3.swf
http://files.school-collection.edu.ru/dlrstore/669ba066-e921-11dc-95ff-0800200c9a66/3_4.swf
http://files.school-collection.edu.ru/dlrstore/669ba067-e921-11dc-95ff-0800200c9a66/3_5.swf
Задание 11
Металлическая пластина, имевшая положительный заряд, по модулю
равный 10е, при освещении потеряла четыре электрона. Каким стал
заряд пластины?
1) +14е
2) +6е
3) −14е
4) −6е
Положительно заряженная стеклянная палочка притягивает подвешенный
на нити лёгкий шарик из алюминиевой фольги. Заряд шарика может быть
А. Отрицателен.
Б. Равен нулю.
Верным(-и) является(-ются) утверждение(-я):
1) только А
2) только Б
3) и А, и Б
4) ни А, ни Б
Задание 11
На рисунке изображены точечные заряженные тела. Все тела имеют одинаковый положительный заряд. Каковы модуль и направление равнодействующей
силы, действующей на заряд Б со стороны зарядов А и В?
1) F = FА + FВ; направление 1
2) F = FА + FВ; направление 2
3) F = FВ – FА; направление 1
4) F = FВ – FА; направление 2
Задание 11
Между двумя вертикально расположенными
разноимённо
заряженными
пластинами
удерживают положительно заряженный тяжёлый
шарик, который затем отпускают. В каком
направлении начнёт двигаться шарик?
1) 1
2) 2
3) 3
4) 4
Задание 11
К двум заряженным шарикам, подвешенным на
изолирующих нитях, подносят положительно
заряженный шар на изолирующей ручке. В
результате положение шариков изменяется так, как
показано на рисунке (пунктирными линиями указано
первоначальное положение). Это означает, что
1) оба шарика заряжены отрицательно
2) оба шарика заряжены положительно
3) первый шарик заряжен положительно, а второй —
отрицательно
4) первый шарик заряжен отрицательно, а второй —
положительно
Задание 11
К двум заряженным шарикам, подвешенным на изолирующих нитях, подносят
положительно заряженную стеклянную палочку. В результате положение шариков
изменяется так, как показано на рисунке (пунктирными линиями указано первоначальное положение).
Это означает, что
1) оба шарика заряжены положительно
2) оба шарика заряжены отрицательно
3) первый шарик заряжен положительно,
а второй — отрицательно
4) первый шарик заряжен отрицательно,
а второй — положительно
Задание 11
Маленькая капелька масла, заряженная
отрицательно, помещена в однородное
электрическое поле (см. рисунок). Какая
стрелка
правильно
указывает
направление движения капельки? Силой
тяжести, действующей на капельку,
можно пренебречь, начальная скорость
капельки равна нулю.
1) 1
2) 2
3) 3
4) 4
Задание 11
К двум заряженным шарикам, подвешенным на изолирующих нитях, подносят
положительно заряженную стеклянную палочку. В результате положение шариков изменяется так, как показано на рисунке (пунктирными линиями указано первоначальное положение).
Это означает, что
1) оба шарика заряжены отрицательно
2) первый шарик заряжен отрицательно, а второй
— положительно
3) первый шарик заряжен положительно, а второй
— отрицательно
4) оба шарика заряжены положительно
Задание 11
Эбонитовую палочку потёрли мехом и поднесли к тонкой струйке воды, льющейся из крана. Струя воды изогнулась в сторону палочки. Это произошло, потому
что
1) струя воды заряжена положительно
2) струя воды заряжена отрицательно
3) при поднесении палочки в струе перераспределились собственные заряды:
на той стороне струи, которая находится ближе к палочке, образовался избыток
положительного заряда
4) при поднесении палочки на струю воды извне перешли заряды, противоположные по знаку тем, которые были на палочке
Задание 11
Стеклянную палочку потёрли шёлковой тканью и поднесли к мелким незаряженным кусочкам бумаги, лежащим на деревянном столе. Кусочки бумаги поднялись
и прилипли к палочке. Это произошло, потому что
1) на кусочки бумаги при поднесении стеклянной палочки извне перешли положительные заряды
2) на кусочки бумаги при поднесении стеклянной палочки извне перешли отрицательные заряды
3) в кусочках бумаги перераспределились собственные заряды: на частях, которые находятся ближе к палочке, образовался избыток положительного заряда
4) в кусочках бумаги перераспределились собственные заряды: на частях, которые находятся ближе к палочке, образовался избыток отрицательного заряда
Задание 11
На штативе при помощи шёлковой нити подвешена сделанная из фольги незаряженная гильза. К ней медленно приближают положительно заряженный
шар на изолирующей подставке. При достаточно близком положении шара
гильза займёт положение, показанное на рисунке
Задание 11
К незаряженной лёгкой металлической гильзе, подвешенной на шёлковой нити,
поднесли, не касаясь, отрицательно заряженную эбонитовую палочку. На каком
рисунке правильно показано поведение гильзы и распределение зарядов на
ней?
1) 1
2) 2
3) 3
4) 4
Задание 11
К незаряженной лёгкой металлической гильзе, подвешенной на шёлковой нити,
прикоснулись отрицательно заряженной эбонитовой палочкой. На каком рисунке правильно показаны заряд, приобретённый гильзой, и её дальнейшее
поведение?
Задание 11
На штативе при помощи шёлковой нити подвешена сделанная из фольги незаряженная гильза. К ней медленно приближают отрицательно заряженный
шар на изолирующей подставке. При достаточно близком положении шара
гильза займёт положение, показанное на рисунке
Задание 11
Положительно заряженную палочку поднесли сначала к лёгкой незаряженной металлической гильзе, а затем — к лёгкой незаряженной бумажной
гильзе. В обоих случаях палочка не касалась гильзы. Притягиваться к
палочке
1) будет только металлическая гильза
2) будет только бумажная гильза
3) будут обе гильзы
4) не будет ни одна гильза
Отрицательно заряженную палочку поднесли сначала к лёгкой незаряженной
металлической гильзе, а затем — к лёгкой незаряженной бумажной гильзе. В
обоих случаях палочка не касалась гильзы. Притягиваться к палочке
1) будет только металлическая гильза
2) будет только бумажная гильза
3) будут обе гильзы
4) не будет ни одна гильза
Задание 11
Маленькая капля масла падает под действием силы тяжести. Приблизившись к
находящейся под ней положительно заряженной пластине, капля постепенно
останавливается и в какой-то момент зависает над пластиной. Каков знак заряда
капли?
1) отрицательный
2) положительный
3) капля может иметь заряд любого знака
4) капля не имеет заряда
Маленькая капля масла падает под действием силы тяжести. Приблизившись
к находящейся под ней отрицательно заряженной пластине, капля постепенно
останавливается и в какой-то момент зависает над пластиной. Каков знак заряда капли?
1) отрицательный
2) положительный
3) капля может иметь заряд любого знака
4) капля не имеет заряда
Задание 11
Задание 11
Положительно заряженная стеклянная палочка притягивает подвешенный на
нити лёгкий шарик из алюминиевой фольги. Заряд шарика может быть
А. Отрицателен.
Б. Равен нулю.
Верным(-и) является(-ются) утверждение(-я):
1) только А
2) только Б
3) и А, и Б
4) ни А, ни Б
Задание 11
К незаряженному изолированному проводнику АБ приблизили изолированный
отрицательно заряженный металлический шар. В результате листочки,
подвешенные с двух сторон проводника, разошлись на некоторый угол (см.
рисунок).
1)
2)
Распределение заряда в проводнике АБ
правильно изображено на рисунке
3)
4)
Задание 11
Из какого материала может быть сделан
стержень, соединяющий электрометры,
изображённые на рисунке?
А. Стекло
Б. Эбонит
1) только А
2) только Б
3) и А, и Б
4) ни А, ни Б
Из какого материала может быть сделан
стержень, соединяющий электроскопы,
изображённые на рисунке?
А. Сталь
Б. Стекло
1) только А
2) только Б
3) и А, и Б
4) ни А, ни Б
Задание 11
К середине массивного проводника, соединяющего два незаряженных
электрометра, поднесли отрицательно заряженную палочку. Как
распределится заряд на электрометрах?
1) на электрометре 1 будет избыточный положительный
электрометре 2 — избыточный отрицательный заряд
2) на электрометре 1 будет избыточный отрицательный
электрометре 2 — избыточный положительный заряд
3) оба электрометра будут заряжены положительно, а
проводник отрицательно
4) оба электрометра будут заряжены отрицательно, а
проводник положительно
заряд, на
заряд, на
массивный
массивный
Задание 11
К
одному
из
незаряженных
электрометров,
соединенных
проводником, поднесли отрицательно заряженную палочку. Как распределится заряд на электрометрах?
1) на электрометре 1 будет избыточный положительный заряд, на электрометре 2 — избыточный отрицательный заряд
2) на электрометре 1 будет избыточный отрицательный заряд, на электрометре 2 — избыточный положительный заряд
3) оба электрометра будут заряжены положительно
4) оба электрометра будут заряжены отрицательно
Задание 11
К одному из незаряженных электрометров, соединённых проводником,
поднесли положительно заряженную палочку. Как распределится заряд на
электрометрах?
1) оба электрометра будут заряжены отрицательно
2) оба электрометра будут заряжены положительно
3) на электрометре 1 будет избыточный положительный заряд, на
электрометре 2 — избыточный отрицательный заряд
4) на электрометре 1 будет избыточный отрицательный заряд, на
электрометре 2 — избыточный положительный заряд
Задание 11
К середине массивного проводника, соединяющего два незаряженных
электрометра, поднесли отрицательно заряженную палочку. Как
распределится заряд на электрометрах?
1) на электрометре 1 будет избыточный
положительный заряд, на электрометре 2 —
избыточный отрицательный заряд
2) на электрометре 1 будет избыточный
отрицательный заряд, на электрометре 2 —
избыточный положительный заряд
3) оба электрометра будут заряжены положительно,
а массивный проводник отрицательно
4) оба электрометра будут заряжены отрицательно, а
массивный проводник положительно
Задание 11
К незаряженному электрометру поднесли положительно заряженную
палочку. Какой заряд приобретёт шар и стрелка электрометра?
1) Шар и стрелка будут заряжены отрицательно.
2) Шар и стрелка будут заряжены положительно.
3) На шаре будет избыточный положительный заряд, на стрелке —
избыточный отрицательный заряд.
4) На шаре будет избыточный отрицательный заряд, на стрелке —
избыточный положительный заряд.
Задание 11
На рисунке изображены одинаковые электроскопы, соединённые стержнем.
Из какого материала может быть сделан этот стержень?
А. Медь.
Б. Сталь.
1) только А
2) только Б
3) и А, и Б
4) ни А, ни Б
Задание 11
К шару на конце стержня незаряженного электроскопа поднесли, не касаясь его, положительно заряженную стеклянную палочку. Листочки электроскопа разошлись на некоторый угол. Что при этом
происходит с зарядом электроскопа?
1) Электроскоп останется в целом нейтральным,
но заряды перераспределятся: на листочках
будет недостаток электронов, на верхнем
конце стержня — избыток электронов.
2) Электроскоп останется в целом нейтральным,
но заряды перераспределятся: на листочках
будет избыток электронов, на верхнем конце
стержня — недостаток электронов.
3) И листочки, и стержень электроскопа приобретут отрицательный заряд.
4) И листочки, и стержень электроскопа приобретут положительный заряд.
Задание 11
Положительно заряженную стеклянную
палочку поднесли, не касаясь, к шару
незаряженного электроскопа. В результате листочки электроскопа разошлись
на некоторый угол (см. рисунок).
Задание 11
Отрицательно заряженную эбонитовую
палочку поднесли, не касаясь, к шару
незаряженного электроскопа. В результате листочки электроскопа разошлись
на некоторый угол (см. рисунок).
Распределение заряда в электроскопе
при поднесении палочки правильно показано на рисунке
Заряженную положительным зарядом палочку подносят к незаряженному
электрометру. Когда палочка находится вблизи шарика электрометра, но не касается его, наблюдают отклонение стрелки электрометра. Укажите номер рисунка, на
котором правильно указано распределение заряда в электрометре.
Заряженную отрицательным зарядом палочку подносят к незаряженному
электрометру. Когда палочка находится вблизи шарика электрометра, но не касается его, наблюдают отклонение стрелки электрометра. Укажите номер рисунка,
на котором правильно указано распределение заряда в электрометре.
Задание 11
К положительно заряженному электроскопу (см. рисунок) подносят отрицательно заряженную палочку, не касаясь ею шара электроскопа. Что произойдет с
листками электроскопа?
1) электроскоп полностью разрядится
2) угол отклонения листков электроскопа от вертикали увеличится
3) угол отклонения листков электроскопа от вертикали не изменится
4) угол отклонения листков электроскопа от вертикали уменьшится
Задание 11
К заряженному отрицательным зарядом электроскопу поднесли металлическую палочку на изолирующей ручке, не касаясь шарика. Листки электроскопа
разошлись ещё сильнее (см. рисунок). Что можно сказать о заряде палочки?
1) палочка не заряжена или заряжена положительно
2) палочка заряжена положительно
3) палочка заряжена отрицательно
4) палочка заряжена отрицательно или не заряжена вовсе
Задание 11
К заряженному положительным зарядом электроскопу поднесли металлическую
палочку на изолирующей ручке. Листки электроскопа опали, то есть угол между
ними уменьшился (см. рисунок). Что можно сказать о заряде палочки?
1) палочка не заряжена или заряжена положительно
2) палочка заряжена положительно
3) палочка заряжена отрицательно
4) палочка заряжена отрицательно или вовсе не заряжена
Задание 11
Два незаряженных электроскопа соединены проволокой. К одному из них подносят заряженную палочку. Заряды, которые могут находиться на палочке и на листочках электроскопов,
1) правильно показаны только на рисунке 1
2) правильно показаны только на рисунке 2
3) правильно показаны и на рисунке 1, и на рисунке 2
4) не показаны правильно ни на рисунке 1, ни на рисунке 2
Задание 11
Два незаряженных электроскопа соединены проволокой. К одному из них подносят заряженную палочку. Заряды, которые могут находиться на палочке и на листочках электроскопов,
1) правильно показаны только на рисунке 1
2) правильно показаны только на рисунке 2
3) правильно показаны и на рисунке 1, и на рисунке 2
4) не показаны правильно ни на рисунке 1, ни на рисунке 2
Задание 15
В процессе трения о шёлк стеклянная линейка приобрела положительный
заряд. Как при этом изменилось количество заряженных частиц на линейке и
шёлке при условии, что обмен атомами при трении не происходил? Установите
соответствие между физическими величинами и их возможными изменениями
при этом. Запишите в ответ выбранные цифры под соответствующими
буквами. Цифры в ответе могут повторяться.
ФИЗИЧЕСКАЯ ВЕЛИЧИНА
А) количество протонов на стеклянной линейке
Б) количество электронов на шёлке
ХАРАКТЕР ИЗМЕНЕНИЯ
1) увеличилась
2) уменьшилась
3) не изменилась
Задание 15
Из-за трения о шёлк стеклянная линейка приобрела положительный заряд. Как
при этом изменилось количество заряженных частиц на линейке и шёлке?
Считать, что обмен атомами между линейкой и шёлком в процессе трения не
происходил.
Для каждой физической величины определите соответствующий характер
изменения:
1) увеличилась
2) уменьшилась
3) не изменилась
Запишите в ответ выбранные цифры для каждой физической величины. Цифры
в ответе могут повторяться.
Количество протонов
на линейке
Количество электронов
на шёлке
Задание 19
Учитель на уроке, используя две одинаковые палочки и кусок
ткани, последовательно провёл опыты по электризации. Описание действий
учителя представлено в таблице.
Какие утверждения соответствуют результатам проведённых
экспериментальных наблюдений? Из предложенного перечня утверждений
выберите два правильных. Укажите их номера.
1) И палочка, и ткань электризуются при трении.
2) При трении палочка и ткань приобретают равные по величине заряды.
3) При трении палочка и ткань приобретают разные по знаку заряды.
4) Палочка приобретает отрицательный заряд.
5) Электризация связана с перемещением электронов с одного тела на другое.
Задание 19
Маленький шарик, имеющий положительный заряд q,
подвешен на длинной нерастяжимой непроводящей нити в
поле силы тяжести. К шарику подносят другой шар,
расположенный на непроводящей подставке. При этом
шарик занимает новое положение равновесия (см. рисунок).
На рисунке изображена сила натяжения нити. Кроме того, на
рисунке нанесена сетка; одна клеточка сетки соответствует
модулю силы 0,1 Н. Из предложенного перечня утверждений
выберите два правильных. Укажите их номера.
1) Шар на подставке имеет положительный заряд.
2) Сила, с которой шар на подставке действует на шарик на нити, равна по
модулю 0,5 Н.
3) Сила натяжения нити равна по модулю 0,1 Н.
4) Масса шарика на нити равна 40 г.
5) Равнодействующая сил, действующих на шарик на нити, равна по
модулю 1,4 Н.
Задание 19
Учитель на уроке, используя палочку, кусок ткани и электроскоп, последовательно провёл опыты по электризации. Описание действий учителя и показания электроскопа представлены в таблице.
Опыт 1
Опыт 2
Опыт 3
Опыт 4
Палочку и ткань
Палочку потёрли Палочку поднесли, Ткань поднесли,
в исходном
о ткань и
не дотрагиваясь, не дотрагиваясь, к
состоянии
дотронулись
к заряженному
заряженному
поднесли
палочкой до
палочкой
палочкой
поочерёдно
электроскопа.
электроскопу.
электроскопу.
к электроскопу.
Из предложенного перечня выберите два
утверждения, соответствующие проведённым
опытам. Укажите их
номера.
1) Электризация связана с перемещением электронов и протонов с одного тела на
другое.
2) При трении палочка по сравнению тканью приобрела больший по величине
заряд.
3) При трении палочка и ткань приобретают разные по знаку заряды.
4) Угол расхождения лепестков электроскопа зависит от степени наэлектризованности палочки.
5) При трении электризуются и палочка, и ткань.
Задание 19
Учитель на уроке, используя палочку, кусок ткани и электроскоп, последовательно
провёл опыты по электризации. Условия проведения опытов и показания электроскопа представлены в таблице.
Выберите из предложенного перечня два утверждения, которые соответствуют результатам проведённых
экспериментальных
наблюдений.
Укажите их номера.
Опыт 1
Опыт 2
Опыт 3
Палочку в исходном Палочку потёрли Палочку дополнительно
состоянии поднесли о ткань и поднесли,
потёрли о ткань
к электроскопу
не дотрагиваясь,
и поднесли,
к электроскопу
не дотрагиваясь,
к электроскопу
1) Палочка электризуется при трении о ткань.
2) При трении палочка и ткань приобретают равные по величине заряды.
3) При трении палочка и ткань приобретают разные по знаку заряды.
4) Угол расхождения лепестков электроскопа зависит от степени наэлектризованности палочки.
5) Электризация связана с перемещением электронов с одного тела на другое.
Задание 24
1. К незаряженному шарику электрометра подносят диэлектрическую
(эбонитовую) заряженную палочку, в результате чего стрелка электрометра
отклоняется. Произойдёт ли ещё более заметное отклонение стрелки
электрометра, если этой палочкой коснуться шарика электрометра? Ответ
поясните.
2. К незаряженному шарику электрометра подносят металлическую заряженную палочку, в результате чего стрелка электрометра отклоняется.
Произойдёт ли ещё более заметное отклонение стрелки электрометра,
если коснуться этой палочкой шарика электрометра? Ответ поясните.
3. Незаряженный
проводящий
легкий
шарик висит на шелковой нити между
заряженным
кондуктором
электрофорной машины и незаряженной
проводящей пластиной. Что произойдет,
если к шарику приблизить кондуктор
электрофорной
машины?
Ответ
поясните.

Проводники и электрические поля в статическом равновесии

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете:

• Перечислить три свойства проводника в электростатическом равновесии.
• Объясните влияние электрического поля на свободные заряды в проводнике.
• Объясните, почему внутри проводника не может быть электрического поля.
• Опишите электрическое поле, окружающее Землю.
• Объясните, что происходит с электрическим полем, приложенным к проводнику неправильной формы.
• Опишите, как работает громоотвод.
• Объясните, как металлический автомобиль может защитить находящихся внутри пассажиров от опасных электрических полей, вызванных касанием обрыва кабеля к автомобилю.

Проводники содержат бесплатных заряда , которые легко перемещаются. Когда на проводник помещается избыточный заряд или проводник помещается в статическое электрическое поле, заряды в проводнике быстро реагируют, чтобы достичь устойчивого состояния, называемого электростатическим равновесием .

На рисунке 1 показано влияние электрического поля на свободные заряды в проводнике. Свободные заряды движутся до тех пор, пока поле не станет перпендикулярным поверхности проводника. В электростатическом равновесии не может быть компоненты поля, параллельной поверхности, поскольку, если бы она была, она вызывала бы дальнейшее движение заряда. Показан положительный свободный заряд, но свободные заряды могут быть как положительными, так и отрицательными, а в металлах они фактически отрицательны. Движение положительного заряда эквивалентно движению отрицательного заряда в противоположном направлении.

Рис. 1. Когда к проводнику приложено электрическое поле E, свободные заряды внутри проводника перемещаются до тех пор, пока поле не станет перпендикулярным поверхности. (а) Электрическое поле является векторной величиной, имеющей как параллельные, так и перпендикулярные компоненты. Параллельная составляющая (E∥) воздействует на свободный заряд q с силой (F∥), которая перемещает заряд до тех пор, пока F∥=0. (b) Результирующее поле перпендикулярно поверхности. Свободный заряд переносится на поверхность проводника, оставляя электростатические силы в равновесии.

Проводник, помещенный в электрическое поле , будет поляризован . На рисунке 2 показан результат помещения нейтрального проводника в изначально однородное электрическое поле. Поле усиливается вблизи проводника, но полностью исчезает внутри него.

Рис. 2. На этом рисунке показан сферический проводник в статическом равновесии с первоначально однородным электрическим полем. Свободные заряды движутся внутри проводника, поляризуя его, пока линии электрического поля не станут перпендикулярны поверхности. Силовые линии заканчиваются на избыточном отрицательном заряде на одном участке поверхности и снова начинаются на избыточном положительном заряде на противоположной стороне. Внутри проводника не существует электрического поля, поскольку свободные заряды в проводнике будут продолжать двигаться в ответ на любое поле, пока оно не будет нейтрализовано.

Предупреждение о неправильном представлении: электрическое поле внутри проводника

Избыточные заряды, размещенные на сферическом проводнике, отталкиваются и перемещаются до тех пор, пока не распределятся равномерно, как показано на рис. 3. Избыточный заряд выталкивается на поверхность до тех пор, пока поле внутри проводника не станет равным нулю. Вне проводника поле точно такое же, как если бы проводник был заменен точечным зарядом в его центре, равным избыточному заряду.

Рис. 3. Взаимное отталкивание избыточных положительных зарядов на сферическом проводнике равномерно распределяет их по его поверхности. Результирующее электрическое поле перпендикулярно поверхности и равно нулю внутри. Вне проводника поле идентично точечному заряду в центре, равному избыточному заряду.

Свойства проводника в электростатическом равновесии

1. Электрическое поле внутри проводника равно нулю.
2. Сразу за пределами проводника силовые линии электрического поля перпендикулярны его поверхности и заканчиваются или начинаются на зарядах на поверхности.
3. Любой избыточный заряд находится полностью на поверхности или поверхностях проводника.

Свойства проводника согласуются с уже рассмотренными ситуациями и могут использоваться для анализа любого проводника в электростатическом равновесии. Это может привести к новым интересным выводам, как описано ниже.

Как создать очень однородное электрическое поле? Рассмотрим систему из двух металлических пластин с противоположными зарядами на них, как показано на рис. 4. Свойства проводников, находящихся в электростатическом равновесии, указывают на то, что электрическое поле между пластинами будет однородным по напряженности и направлению. За исключением краев, избыточные заряды распределяются равномерно, создавая силовые линии, которые расположены на одинаковом расстоянии друг от друга (следовательно, одинаковы по силе) и перпендикулярны поверхностям (следовательно, однородны по направлению, поскольку пластины плоские). Краевые эффекты менее важны, когда пластины расположены близко друг к другу.

Рис. 4. Две металлические пластины с равными, но противоположными избыточными зарядами. Поле между ними однородно по силе и направлению, кроме краев. Одним из применений такого поля является создание равномерного ускорения зарядов между пластинами, например, в электронной пушке телевизионной трубки.

Электрическое поле Земли

Рис. 5. Электрическое поле Земли. (a) Поле хорошей погоды. Земля и ионосфера (слой заряженных частиц) являются проводниками. Они создают однородное электрическое поле около 150 Н/Кл. (кредит: DH Parks) (b) Штормовые поля. При наличии грозовых облаков локальные электрические поля могут быть больше. При очень высоких полях изолирующие свойства воздуха нарушаются, и может возникнуть молния. (кредит: Ян-Йост Верхуф)

Почти однородное электрическое поле напряженностью около 150 Н/Кл, направленное вниз, окружает Землю, величина которого немного увеличивается по мере приближения к поверхности. Что вызывает электрическое поле? Примерно в 100 км над поверхностью Земли находится слой заряженных частиц, называемый ионосферой . Ионосфера отвечает за ряд явлений, включая электрическое поле, окружающее Землю. В хорошую погоду ионосфера положительна, а Земля в значительной степени отрицательна, поддерживая электрическое поле (рис. 5а).

В условиях шторма образуются облака, а локализованные электрические поля могут быть сильнее и иметь противоположное направление (рис. 5b). Точное распределение заряда зависит от местных условий, и возможны вариации рисунка 5b.

Если электрическое поле достаточно велико, изолирующие свойства окружающего материала нарушаются, и он становится проводящим. Для воздуха это происходит примерно при 3 × 10 ⁶ N/C. Воздух ионизирует ионы, а электроны рекомбинируют, и мы получаем разряд в виде искр молний и коронного разряда.

Электрические поля на неровных поверхностях

До сих пор мы рассматривали избыточные заряды на гладкой симметричной поверхности проводника. Что произойдет, если проводник имеет острые углы или заострен? Избыточные заряды на неоднородном проводнике концентрируются в наиболее острых точках. Кроме того, избыточный заряд может перемещаться по проводнику или от него в самых острых точках.

Чтобы понять, как и почему это происходит, рассмотрим заряженный проводник на рис. 6. Электростатическое отталкивание одинаковых зарядов наиболее эффективно раздвигает их на самой плоской поверхности, поэтому там они меньше всего концентрируются. Это связано с тем, что силы между одинаковыми парами зарядов на обоих концах проводника одинаковы, но компоненты сил, параллельных поверхностям, различны. Составляющая, параллельная поверхности, наибольшая на самой плоской поверхности и, следовательно, более эффективна в перемещении заряда.

Такой же эффект на проводник оказывает внешнее электрическое поле, как показано на рис. 6с. Поскольку силовые линии должны быть перпендикулярны поверхности, больше их сосредоточено на наиболее искривленных участках.

Рис. 6. Избыточный заряд на неоднородном проводнике больше всего концентрируется в месте наибольшей кривизны. а) Силы между одинаковыми парами зарядов на обоих концах проводника одинаковы, но компоненты сил, параллельных поверхности, различны. это F _∥ , который раздвигает заряды, когда они достигают поверхности. (b) F _∥ наименьший на более остром конце, заряды оставлены ближе друг к другу, создавая показанное электрическое поле. (c) Незаряженный проводник в первоначально однородном электрическом поле поляризуется так, что наиболее концентрированный заряд находится на его самом остром конце.

Применение проводников

Рис. 7. Проводник с очень острым концом имеет большую концентрацию заряда в конце. Электрическое поле в этой точке очень сильное и может создавать силу, достаточную для переноса заряда на проводник или с него. Молниеотводы используются для предотвращения накопления больших избыточных зарядов на конструкциях и, таким образом, имеют остроконечную форму.

На очень круто искривленной поверхности, такой как показанная на рисунке 7, заряды настолько сконцентрированы в точке, что результирующее электрическое поле может быть достаточно сильным, чтобы убрать их с поверхности. Это может быть полезно.

Молниеотводы работают лучше всего, когда они наиболее остроконечные. Большие заряды, образующиеся в грозовых облаках, вызывают противоположный заряд на здании, что может привести к удару молнии в здание. Индуцированный заряд постоянно отводится громоотводом, предотвращая более драматический удар молнии.

Конечно, иногда мы хотим предотвратить передачу заряда, а не облегчить ее. В этом случае проводник должен быть очень гладким и иметь как можно больший радиус кривизны. (См. рис. 8.) Гладкие поверхности используются, например, на высоковольтных линиях электропередачи, чтобы избежать утечки заряда в воздух.

Другим устройством, в котором используются некоторые из этих принципов, является клетка Фарадея . Это металлический щит, ограждающий объем. Все электрические заряды будут находиться на внешней поверхности этого экрана, и внутри не будет электрического поля. Клетка Фарадея используется для того, чтобы паразитные электрические поля в окружающей среде не мешали чувствительным измерениям, таким как электрические сигналы внутри нервной клетки.

Во время грозы, если вы управляете автомобилем, лучше оставаться внутри автомобиля, так как его металлический корпус действует как клетка Фарадея с нулевым электрическим полем внутри. Если в непосредственной близости от удара молнии, его воздействие ощущается снаружи автомобиля, а внутри не затрагивается, при условии, что вы полностью остаетесь внутри. Это актуально и в том случае, если действующий («горячий») электрический провод оборвался (в грозу или аварию) и упал на ваш автомобиль.

Рис. 8. (a) Молниеотвод направлен для облегчения передачи заряда. (Фото: Romaine, Wikimedia Commons) (b) Этот генератор Ван де Граафа имеет гладкую поверхность с большим радиусом кривизны, что предотвращает перенос заряда и позволяет генерировать большое напряжение. Взаимное отталкивание одноименных зарядов проявляется в волосах человека при прикосновении к металлическому шару. (кредит: Джон «ShakataGaNai» Дэвис/Wikimedia Commons).

Резюме раздела

• Проводник позволяет свободным зарядам перемещаться внутри него.
• Электрические силы вокруг проводника заставят свободные заряды перемещаться внутри проводника, пока не будет достигнуто статическое равновесие.
• Любой избыточный заряд будет накапливаться на поверхности проводника.
• Проводники с острыми углами или точками будут накапливать больше заряда в этих точках.
• Громоотвод — это проводник с заостренными концами, который собирает избыточный заряд на здании, вызванный грозой, и позволяет ему рассеяться обратно в воздух.
• Электрические бури возникают, когда электрическое поле поверхности Земли в определенных местах становится более сильно заряженным из-за изменения изолирующего эффекта воздуха.
• Клетка Фарадея действует как щит вокруг объекта, предотвращая проникновение электрического заряда внутрь.

Концептуальные вопросы

1. Является ли объект на рисунке 9 проводником или изолятором? Обосновать ответ.

   Рисунок 9.

2. Линии внешнего поля, входящие в объект с одного конца и выходящие с другого, показаны линиями.
   Если бы линии электрического поля на рисунке выше были перпендикулярны объекту, обязательно ли он был бы проводником? Объяснять.
3. Обсуждение электрического поля между двумя параллельными проводящими пластинами в этом модуле утверждает, что краевые эффекты менее важны, если пластины расположены близко друг к другу. Что значит близко? То есть имеет ли решающее значение фактическое расстояние между пластинами или отношение расстояния между пластинами к площади пластины?
4. Будет ли электрическое поле, созданное самим собой на конце заостренного проводника, такого как громоотвод, удалять положительный или отрицательный заряд с проводника? Будет ли снят тот же знаковый заряд с нейтрального заостренного проводника приложением такого же электрического поля, созданного извне? (Ответы на оба вопроса имеют значение для передачи заряда с использованием баллов.)
5. Почему игрок в гольф с металлической клюшкой на плече уязвим для молнии на открытом фервее? Будет ли ей безопаснее под деревом?
6. Может ли ремень ускорителя Ван де Граафа быть проводником? Объяснять.
7. Вы в относительной безопасности от молнии внутри автомобиля? Назовите две причины.
8. Обсудите плюсы и минусы заземления громоотвода по сравнению с простым прикреплением к зданию.
9. Используя симметрию расположения, покажите, что суммарная кулоновская сила, действующая на заряд [латекс]q[/латекс] в центре квадрата ниже (рис. 10), равна нулю, если заряды в четырех углах точно равны.

   Рис. 10. Четыре точечные заряды q _a , q _b , q _c и q _c и q _d 900 квадрата лежат на углах 3090 и квадрата q находится по адресу центр.

10. (a) Используя симметрию расположения, покажите, что электрическое поле в центре квадрата на рисунке 10 равно нулю, если заряды в четырех углах точно равны. (b) Покажите, что это также верно для любой комбинации зарядов, в которой q _a = q _b и q _b   = q _c
11. (a) Каково направление общей кулоновской силы на Q на рисунке 10, если Q отрицателен, Q _A = Q _C и оба являются отрицательными и Q _B и отрицательные и Q _B и Q _B   = q _c  и оба положительны? б) Каково направление электрического поля в центре квадрата в этой ситуации?
12. Рассматривая рисунок 10, предположим, что q _a = q _d и q _b = q _c . Сначала покажите, что q  находится в статическом равновесии. (Вы можете пренебречь силой гравитации.) Затем обсудите, является ли равновесие устойчивым или неустойчивым, отметив, что это может зависеть от знаков зарядов и направления смещения q  от центра квадрата.
13. Если q _a  = 0 на рисунке 10, при каких условиях не будет чистой кулоновской силы на q ?
14. В регионах с низкой влажностью возникает особая «хватка» при открытии дверей автомобиля или прикосновении к металлическим дверным ручкам. Это предполагает размещение на устройстве как можно большей части руки, а не только кончиков пальцев. Обсудите индуцированный заряд и объясните, почему это сделано.
15. Пункты взимания платы за проезд на дорогах и мостах обычно имеют кусок проволоки, воткнутый в тротуар перед ними, который будет касаться приближающегося автомобиля. Почему это делается?
16. Предположим, женщина несет избыточную плату. Чтобы поддерживать свой заряженный статус, может ли она стоять на земле в любой паре обуви? Как бы вы ее выписали? Каковы последствия, если она просто уйдет?

Задачи и упражнения

1. Нарисуйте линии электрического поля вблизи проводника на рисунке 11, учитывая, что изначально поле было однородным и параллельным длинной оси объекта. Является ли результирующее поле малым вблизи длинной стороны объекта?

   Рисунок 11

2. Нарисуйте линии электрического поля вблизи проводника на рисунке 12, учитывая, что изначально поле было однородным и параллельным длинной оси объекта. Является ли результирующее поле малым вблизи длинной стороны объекта?

   Рисунок 12.

3. Нарисуйте электрическое поле между двумя проводящими пластинами, показанными на рисунке 13, при условии, что верхняя пластина имеет положительный заряд, а нижняя пластина имеет такое же количество отрицательного заряда. Обязательно укажите распределение заряда на пластинах.

   Рисунок 13.

4. Нарисуйте линии электрического поля вблизи заряженного изолятора на рисунке 14 , отметив его неоднородное распределение заряда.

   Рис. 14. Заряженный изолирующий стержень, который можно использовать для демонстрации в классе.

5. Какая сила действует на заряд, расположенный на расстоянии x = 8,00 см на рис. 15а, при условии, что q = 1,00 мкКл?

   Рис. 15. (а) Точечные заряды, расположенные на расстоянии 3,00, 8,00 и 11,0 см по оси x. (b) Точечные заряды, расположенные на расстоянии 1,00, 5,00, 8,00 и 14,0 см по оси x.

6. (a) Найдите полное электрическое поле при x = 1,00 см на рисунке 15b, учитывая, что q = 5,00 нКл. (b) Найдите полное электрическое поле при x = 11,00 см на рисунке 15b. (в) Если позволить зарядам двигаться и в конечном итоге останавливаться за счет трения, какова будет окончательная конфигурация заряда? (То есть будет ли одинарная плата, двойная плата и т. д., и каковы будут ее значения?)
7. (a) Найдите электрическое поле при x = 5,00 см на рис. 15а, учитывая, что q = 1,00 мкКл. (b) В каком положении между 3,00 и 8,00 см общее электрическое поле такое же, как и для -2 q  один? в) Может ли электрическое поле быть равным нулю где-то между 0,00 и 8,00 см? (d) При очень больших положительных или отрицательных значениях x электрическое поле приближается к нулю как в (a), так и (b). В каком случае он быстрее всего стремится к нулю и почему? (e) В каком положении справа от 11,0 см полное электрическое поле равно нулю, кроме как на бесконечности? (Подсказка: графический калькулятор может помочь в решении этой проблемы.)
8. (a) Найдите полную кулоновскую силу на заряде 2,00 нКл, расположенном на расстоянии x = 4,00 см на рисунке 15b, учитывая, что q = 1,00 мкКл. (b) Найдите положение x , в котором электрическое поле равно нулю на рисунке 15b.
9. Используя симметрию расположения, определите направление силы на q на рисунке ниже, учитывая, что q _a = q _b = +7,50 мкКл и q _c = q _d = -7,50 мкКл. б) Рассчитайте величину силы, действующей на заряд q , учитывая, что сторона квадрата равна 10,0 см, а q = 2,00 мкКл.

   Рисунок 16.

10. (a) Используя симметрию расположения, определите направление электрического поля в центре квадрата на рисунке, учитывая, что q _a = q _b = -1,00 мкКл и q _c = q _d = +1,00 мкКл. (b) Рассчитайте величину электрического поля в точке q, учитывая, что сторона квадрата равна 5,00 см.
11. Найдите электрическое поле в точке q _a на рисунке 16, учитывая, что q _b = q _c = q _{d ,} д = — 1,00 нКл, а сторона квадрата 20,0 см.
12. Найти полную кулоновскую силу на заряде q на рис. 16, учитывая, что q = 1,00 μ Кл, q _a = 2,00 μ 0 9 0 9 90924 Кл, 4 Кл0   = −3,00 µ C, q _c   = −4,00 µ C и q _d = +1,00 µ C. сторона.
13. (a) Найдите электрическое поле в точке q _a на рис. 17, учитывая, что q _b = +10,00 μ C и q c

    40 –5,023 C. (b) Какова сила, действующая на q _и , если q _а = +1,50 нКл?

    Рис. 17. Точечные заряды, расположенные в углах равностороннего треугольника со стороной 25,0 см.

14. (a) Найдите электрическое поле в центре треугольной конфигурации зарядов на рис. 17, учитывая, что q _a = +2,50 нКл, q _b   = −8,00 нКл и q _c = +1,50 нКл. (b) Существует ли какая-либо комбинация сборов, кроме q _a = q _b = q _c , что создаст электрическое поле нулевой напряженности в центре треугольной конфигурации?

Глоссарий

проводник:  объект, свойства которого позволяют зарядам свободно перемещаться внутри него

свободный заряд:  электрический заряд (положительный или отрицательный), который может двигаться отдельно от своей основной молекулы

электростатическое равновесие: 90 088  электростатически сбалансированное состояние, в котором все свободные электрические заряды перестали двигаться примерно через

поляризованный:  состояние, при котором положительные и отрицательные заряды внутри объекта собираются в разных местах

ионосфера:  слой заряженных частиц, расположенный примерно в 100 км над поверхностью Земли, который отвечает за диапазон явлений, включая электрическое поле, окружающее Землю

Клетка Фарадея:  металлический экран, предотвращающий проникновение электрического заряда на его поверхность

Избранные решения задач и упражнений

6. (а) E _{x = 1,00 см} = −∞; (б) 2,12 × 10 ⁵ Н/З; (в) один заряд + q

8. (а) 0,252 Н влево; (b) x = 6,07 см

10. (a) Электрическое поле в центре квадрата будет направлено вверх, так как q _a и q _b положительны, а

3 q 9 c

и q _d отрицательны и имеют одинаковую величину; (б) 2,04 × 10 9{\circ}\\[/latex] , ниже горизонтали; (b) №

Учебник по физике: электрические поля и проводники

Ранее в уроке 4 мы показали, что любой заряженный объект — положительный или отрицательный, проводник или изолятор — создает электрическое поле, которое пронизывает окружающее его пространство. В случае с проводниками существует множество необычных характеристик, о которых мы могли бы рассказать. Напомним из Урока 1, что проводник — это материал, который позволяет электронам относительно свободно перемещаться от атома к атому. Было подчеркнуто, что когда проводник приобретает избыточный заряд, избыточный заряд перемещается и распределяется по проводнику таким образом, чтобы уменьшить общее количество сил отталкивания внутри проводника. Мы рассмотрим это более подробно в этом разделе урока 4, когда будем вводить идею электростатического равновесия. Электростатическое равновесие — это состояние, устанавливаемое заряженными проводниками, в котором избыточный заряд оптимально дистанцируется, чтобы уменьшить общее количество сил отталкивания. Как только заряженный проводник достигает состояния электростатического равновесия, дальнейшее движение заряда по поверхности прекращается.

 

 

Электрические поля внутри заряженных проводников

Заряженные проводники, достигшие электростатического равновесия, обладают рядом необычных характеристик. Одной из характеристик проводника, находящегося в состоянии электростатического равновесия, является то, что электрическое поле в любом месте под поверхностью заряженного проводника равно нулю. Если бы электрическое поле действительно существовало под поверхностью проводника (и внутри него), то электрическое поле оказывало бы силу на все находящиеся там электроны. Эта результирующая сила начнет ускорять и перемещать эти электроны. Но объекты в электростатическом равновесии не имеют дальнейшего движения заряда по поверхности. Так что, если бы это произошло, то первоначальное утверждение о том, что объект находится в электростатическом равновесии, было бы ложным. Если электроны внутри проводника находятся в состоянии равновесия, то результирующая сила, действующая на эти электроны, равна нулю. Линии электрического поля либо начинаются, либо заканчиваются на заряде, а в случае проводника заряд существует только на его внешней поверхности. Линии проходят от этой поверхности наружу, а не внутрь. Это, конечно, предполагает, что наш проводник не окружает область пространства, где был другой заряд.

Чтобы проиллюстрировать эту характеристику, давайте рассмотрим пространство между и внутри двух концентрических проводящих цилиндров разного радиуса, как показано на диаграмме справа. Внешний цилиндр заряжен положительно. Внутренний цилиндр заряжен отрицательно. Электрическое поле вокруг внутреннего цилиндра направлено к отрицательно заряженному цилиндру. Поскольку этот цилиндр не окружает область пространства, где есть другой заряд, можно сделать вывод, что избыточный заряд находится исключительно на внешней поверхности этого внутреннего цилиндра. Электрическое поле внутри внутреннего цилиндра было бы равно нулю. При рисовании линий электрического поля линии будут проведены от внутренней поверхности внешнего цилиндра к внешней поверхности внутреннего цилиндра. Что касается избыточного заряда на внешнем цилиндре, необходимо учитывать не только силы отталкивания между зарядами на его поверхности. В то время как избыточный заряд на внешнем цилиндре стремится уменьшить силы отталкивания между его избыточным зарядом, он должен уравновесить это с тенденцией притягиваться к отрицательным зарядам на внутреннем цилиндре. Поскольку внешний цилиндр окружает заряженную область, характеристика заряда, находящегося на внешней поверхности проводника, неприменима.

Концепция нулевого электрического поля внутри замкнутой проводящей поверхности была впервые продемонстрирована Майклом Фарадеем, физиком 19-го века, который продвигал полевую теорию электричества. Фарадей построил комнату в комнате, накрыв внутреннюю комнату металлической фольгой. Он сидел во внутренней комнате с электроскопом и заряжал поверхности внешней и внутренней комнаты с помощью электростатического генератора. В то время как искры летели между стенами двух комнат, не было обнаружено электрического поля во внутренней комнате. Избыточный заряд на стенах внутренней комнаты полностью приходился на внешнюю поверхность комнаты. Сегодня эта демонстрация часто повторяется на демонстрациях физики в музеях и университетах.

Внутреннее помещение с проводящей рамой, которая защищала Фарадея от статического заряда, теперь называется клеткой Фарадея . Клетка служит для защиты всех и каждого, кто находится внутри, от влияния электрических полей. Любая закрытая проводящая поверхность может служить клеткой Фарадея, защищая все, что ее окружает, от потенциально разрушительного воздействия электрических полей. Этот принцип экранирования широко используется сегодня, поскольку мы защищаем хрупкое электрическое оборудование, заключая его в металлические корпуса. Даже хрупкие компьютерные чипы и другие компоненты поставляются в проводящей пластиковой упаковке, которая защищает чипы от потенциально опасного воздействия электрических полей. Это еще один пример «Физики для лучшей жизни».

 

Электрические поля перпендикулярны заряженным поверхностям

Второй характеристикой проводников, находящихся в состоянии электростатического равновесия, является то, что электрическое поле на поверхности проводника направлено полностью перпендикулярно поверхности. Не может быть компонента электрического поля (или электрической силы), параллельной поверхности. Если проводящий объект сферический, то это означает, что перпендикулярные векторы электрического поля совмещены с центром сферы. Если объект имеет неправильную форму, то вектор электрического поля в любом месте перпендикулярен касательной, проведенной к поверхности в этом месте.

Понимание того, почему эта характеристика верна, требует понимания векторов, силы и движения. Движение электронов, как и любого физического объекта, управляется законами Ньютона. Одним из следствий законов Ньютона было то, что неуравновешенные силы заставляют объекты ускоряться в направлении неуравновешенной силы, а баланс сил заставляет объекты оставаться в равновесии. Эта истина обеспечивает основу для обоснования того, почему электрические поля должны быть направлены перпендикулярно поверхности проводящих объектов. Если бы существовала составляющая электрического поля, направленная параллельно поверхности, то избыточный заряд на поверхности приводился бы в ускоренное движение этой составляющей. Если заряд приведен в движение, то объект, на который он направлен, не находится в состоянии электростатического равновесия. Следовательно, электрическое поле должно быть полностью перпендикулярно проводящей поверхности для объектов, находящихся в электростатическом равновесии. Конечно, проводящий объект, который недавно приобрел избыточный заряд, имеет составляющую электрического поля (и электрической силы), параллельную поверхности; именно этот компонент воздействует на вновь приобретенный избыточный заряд, распределяя избыточный заряд по поверхности и устанавливая электростатическое равновесие. Но когда оно достигнуто, больше нет ни параллельной составляющей электрического поля, ни движения избыточного заряда.

 

Электрические поля и кривизна поверхности

Третьей характеристикой проводящих объектов, находящихся в состоянии электростатического равновесия, является то, что электрические поля наиболее сильны в местах на поверхности, где объект наиболее искривлен. Кривизна поверхности может варьироваться от абсолютно плоской на одном полюсе до кривизны до тупых точек на другом полюсе.

 

Плоское место не имеет кривизны и характеризуется относительно слабыми электрическими полями. С другой стороны, тупая точка имеет высокую степень кривизны и характеризуется относительно сильными электрическими полями. Сфера имеет однородную форму с одинаковой кривизной в любом месте на своей поверхности. Таким образом, напряженность электрического поля на поверхности сферы везде одинакова.

Чтобы понять причину этой третьей характеристики, мы рассмотрим объект неправильной формы, который заряжен отрицательно. Такой объект имеет избыток электронов. Эти электроны распределялись бы таким образом, чтобы уменьшить действие их сил отталкивания. Поскольку электростатические силы изменяются обратно пропорционально квадрату расстояния, эти электроны будут иметь тенденцию располагаться таким образом, чтобы увеличивать свое расстояние друг от друга. На сфере правильной формы предельное расстояние между каждым соседним электроном было бы одинаковым. Но на объекте неправильной формы избыточные электроны имеют тенденцию накапливаться с большей плотностью в местах наибольшей кривизны. Рассмотрим схему справа. Электроны А и В расположены вдоль более плоского участка поверхности. Как и все хорошо ведущие себя электроны, они отталкивают друг друга. Силы отталкивания направлены вдоль линии, соединяющей заряд с зарядом, поэтому сила отталкивания в основном параллельна поверхности. С другой стороны, электроны C и D располагаются вдоль участка поверхности с более резкой кривизной. Эти избыточные электроны также отталкиваются друг от друга с силой, направленной вдоль линии, соединяющей заряд с зарядом. Но теперь сила направлена ​​под более острым углом к ​​поверхности. Составляющие этих сил, параллельные поверхности, значительно меньше. Большая часть силы отталкивания между электронами C и D направлена ​​перпендикулярно поверхности.

Параллельные составляющие этих сил отталкивания заставляют избыточные электроны двигаться вдоль поверхности проводника. Электроны будут двигаться и распределяться, пока не будет достигнуто электростатическое равновесие. После достижения равнодействующая всех параллельных компонентов на любом заданном избыточном электроне (и на всех избыточных электронах) будет равна нулю. Все параллельные компоненты силы, действующей на каждый из электронов, должны быть равны нулю, поскольку результирующая сила, параллельная поверхности проводника, всегда равна нулю (вторая характеристика, обсуждавшаяся выше). При одном и том же расстоянии параллельная составляющая силы максимальна в случае электронов A и B. Таким образом, чтобы достичь такого баланса параллельных сил, электроны A и B должны отдаляться друг от друга дальше, чем электроны C и D. Электроны C и D, с другой стороны, могут сгущаться ближе друг к другу в месте их расположения, так как параллельная составляющая сил отталкивания меньше. В конце концов в местах наибольшей кривизны скапливается относительно большое количество заряда. Это большее количество заряда в сочетании с тем фактом, что их силы отталкивания в основном направлены перпендикулярно поверхности, приводит к значительно более сильному электрическому полю в таких местах повышенной кривизны.

 

Тот факт, что поверхности, сильно изогнутые до тупого края, создают сильные электрические поля, является основным принципом использования молниеотводов. В следующем разделе урока 4 мы рассмотрим явление разряда молнии и использование громоотводов для предотвращения ударов молнии.

 

 

Мы хотели бы предложить…

Иногда недостаточно просто прочитать об этом. Вы должны взаимодействовать с ним! И это именно то, что вы делаете, когда используете один из интерактивов The Physics Classroom. Мы хотели бы предложить вам совместить чтение этой страницы с использованием нашего интерактивного приложения «Поместите заряд в цель» и/или интерактивного интерактивного материала «Электростатические ландшафты». Оба интерактива можно найти в разделе Physics Interactives на нашем веб-сайте. Оба интерактива обеспечивают привлекательную среду для изучения электрических полей и действий на расстоянии.

Посетите:  Зарядите цель  | Электростатика Пейзажи

Проверьте свое понимание

Используйте свое понимание, чтобы ответить на следующие вопросы. Когда закончите, нажмите кнопку, чтобы просмотреть ответы.

1. Предположим, что сфера генератора Ван де Граафа собирает заряд. Затем двигатель выключается, и сфере позволяют достичь электростатического равновесия. Заряд ___.

а. находится как на его поверхности, так и во всем его объеме

б. находится в основном внутри сферы и появляется снаружи только при прикосновении

в. находится только на поверхности сферы

 

 

2. Опишите напряженность электрического поля в шести отмеченных местах заряженного объекта неправильной формы справа. Используйте в качестве описания фразы «нулевой», «относительно слабый», «умеренный» и «относительно сильный».0005

 

 

 

 

3. Схема заряженного проводника неправильной формы показана справа. Четыре точки на поверхности обозначены буквами A, B, C и D. Расположите эти точки в порядке возрастания напряженности их электрического поля, начиная с наименьшего электрического поля.

 

4. Рассмотрите схему кнопки, показанную справа. Предположим, что кнопка становится положительно заряженной. Нарисуйте линии электрического поля, окружающие кнопку.

См. схему линий электрического поля.

 

 

5. Нарисуйте линии электрического поля для следующей конфигурации двух объектов. Поместите стрелки на линии поля.

См. схему линий электрического поля.

 

   

 

6. Любимая физическая демонстрация, используемая с генератором Ван де Граафа, заключается в медленном приближении к куполу с протянутой к устройству скрепкой. Почему демонстратор не становится тостом при приближении к машине с торчащим вперед тупым краем скрепки?

 

 

 

 

7. ПРАВДА или ЛОЖЬ :

Молниеотводы размещаются на домах для защиты от молнии. Они работают, потому что электрическое поле вокруг молниеотводов слабое; таким образом, между молниеотводами/домом и заряженными облаками имеется небольшой поток заряда.

 

 

 

Схема линий электрического поля для вопроса № 4:

Приведенная выше диаграмма не была создана с помощью программного обеспечения для построения полевых графиков; это, безусловно, выглядело бы лучше, если бы это было так. Ваш ответ может выглядеть иначе (особенно при сравнении деталей), но он должен иметь следующие общие характеристики с приведенной здесь диаграммой:

• Линии электрического поля должны быть направлены от положительно заряженной кнопки к краям страницы. Каждая линия поля ДОЛЖНА иметь стрелку, указывающую такое направление.
• Все линии электрического поля должны быть перпендикулярны поверхности кнопки в местах, где линии пересекаются с кнопкой.
• На заостренном конце кнопки и на двух резко изогнутых участках должно быть больше линий, а на более плоских участках кнопки должно быть меньше линий.