Что такое заряд? Виды зарядов и их взаимодействие. Электризация тел. Два рода зарядов. Закон сохранения электрического заряда

1. Элементарный электрический заряд; два вида электрических зарядов; закон сохранения электри­ческого заряда; закон Кулона; электрическое поле: напряжённость электрического поля; линии напря­жённости электрического поля; принцип суперпози­ции электрических полей.

Законы взаимодействия атомов и молекул удается понять и объяснить на основе знаний о строении атома, используя планетарную модель его строения. В центре атома находится положительно заряженное ядро, вокруг которого вращаются по определенным орбитам отрицательно заряженные частицы. Взаимодействие между заряженными частицами называется электромагнитным. Интенсивность электромагнитного взаимодействия определяется физической величиной - электрическим зарядом , который обозначается q.

Единица электрического заряда - кулон (Кл).

1 кулон - это такой электрический заряд, который, проходя через поперечное сечение проводника за 1 с, создает в нем ток силой 1 А.

Способность электрических зарядов как к взаимному притяжению, так и к взаимному отталкиванию объясняется существованием двух видов зарядов. Один вид заряда назвали положительным, носителем элементарного положительного заряда является протон. Другой вид заряда назвали отрицательным, его носителем является электрон. Элементарный заряд равен Одноимённые заряды отталкиваются, а разноимённые - притягиваются

Заряд частиц всегда представляется числом, кратным величине элементарного заряда.
Закон сохранения электрического заряда :
Полный заряд замкнутой системы (в которую не входят заряды извне), т. е. алгебраическая сумма зарядов всех тел, остается постоянной: q 1 + q 2 + ... + q n = const.

Электрический заряд не создается и не исчезает, а только переходит от одного тела к другому.
Электризация - это сообщение телу электрического заряда. Электризация может происходить, например, при соприкосновении (трении) разнородных веществ и при облучении. При электризации в теле возникает избыток или недостаток электронов.
В случае избытка электронов тело приобретает отрицательный заряд, в случае недостатка - положительный.
Закон Кулона: модуль силы взаимодействия двух точечных неподвижных электрических зарядов в вакууме прямо пропорционален произведению величин этих зарядов и обратно пропорционален квадрату расстояния между ними. r- расстояние между ними, k - коэффициент пропорциональности, зависящий от выбора системы единиц, в СИ

Величина, показывающая, во сколько раз сила взаимодействия зарядов в вакууме больше, чем в среде, называется диэлектрической проницаемостью среды ε. Для среды с диэлектрической проницаемостью е закон Кулона записывается следующим образом:
В СИ коэффициент k принято записывать следующим образом:
- электрическая постоянная, численно равная

2. Солнечная система. Звёзды и источники их энергии. Современные представления о происхож­дении и эволюции Солнца и звёзд.

1.Солнце - пылающий огненный шар, оно то чрезвычайно активно, то относительно спокойно. Температура поверхности Солнца около 6 000 градусов: при такой темпера­туре все известные нам вещества обращаются в пар. Темпера­тура же в центре Солнца значительно больше: около 15 мил­лионов градусов.

В солнечном спектре было найдено более шестидесяти хими­ческих элементов. Предполагается, что внешние слои Солнца имеют тот же химический состав, что и в момент его образова­ния: около 71% водорода, 27% гелия и 2% других элементов

Солнце условно разделяют на четыре области:

1. ядро,
2. лучи­стая зона,
3. зона конвекции
4. атмосфера.

Солнечное ядро представляет собой атомную электростан­цию, где солнечная энергия генерируется в реакциях ядерного синтеза. Источником энергии Солнца являются реакции тер­моядерного синтеза. В недрах Солнца происходит превращение ядер водорода в ядра гелия: в результате цепи трех последовательных реакций четыре ядра водорода превращаются в одно ядро гелия. Лучистая зона - зона, где отдельные кванты путешеству­ют сотни тысяч лет, пока достигнут фотосферы. В зоне конвекции циркулирующие потоки газа переносят теплоту от горячих недр наружу. Атмосфера условно разделена на фотосферу, хромосферу и солнечную корону.

Планетами земной группы называют четыре ближайшие к Солнцу планеты: Меркурий, Венеру, Землю и Марс.

Эти планеты характеризуются сравни­тельно небольшими размерами и массой и довольно большой средней плотностью. Общим свойством планет земной группы можно считать и то, что они весьма бедны спутниками.

Меркурий(самая близкая к Солнцу планета ). Меркурий получил свое имя в честь древнеримско­го бога-посланника. Он обращается вокруг Солнца быстрее всех планет со скоростью 47,9 км/с. Меркурий похож на Луну с ее множеством кратеров, гор и морей. Температура ни экваторе Меркурия меняется от 700 К в полдень до 90 К в полночь.

На Меркурии имеются следы атмосферы: зафиксированы гелий, аргон, кислород, углерод и ксенон, но атмосферы нет.

Венера (2 от Солнца) обладает атмосферой, причем очень плотной: давление у поверхности Венеры в 90 раз превышает давление у поверхности Земли. Атмосфера Венеры состоит в основном из углекислого газа,

Поверхность Венеры сухая и каменистая, примерно 60% поверхности занимают сравнительно ровные холмистые рав­нины с хорошо различимыми кратерами. Около 16% поверх­ности - безводные бассейны и долины.

Венера является еще более горячей планетой, чем Мерку­рий, причем из-за плотной атмосферы на ней практически от­сутствуют суточные и годичные колебания температуры - вблизи ее поверхности температура всегда около 450 0 С.

Особенность Венеры состоит в том, что при своем суточном враще­нии она вращается в направлении, противоположном направ­лению суточного вращения всех других планет, кроме Урана. Вращается она медленнее всех других планет, делая один оборот вокруг своей оси только за 243 земных суток.

Земля(3 от Солнца) - единственная планета, в атмосфере которой есть много кислорода: он появился благодаря жизнедеятельности растений.

Особенностью Земли среди других планет земной группы яв­ляется наличие у нее большого естественного спутника - Луны.

Луна очень схожа с Меркурием тем, что у нее тоже (и по тем же причинам) нет атмосферы, и поэтому ее поверхность изрыта огромными ударными кратерами. Интересная особен­ность Луны в том, что она всегда обращена к Земле одной стороной.

Марс(4 от Солнца) имеет две сходные с Землей особенности: во-первых, период его обращения вокруг своей оси составляет чуть больше 24 часов, то есть, почти совпадает с земными сут­ками, во-вторых, ось вращения наклонена к плоскости его орбиты примерно так же. как у Земли, вследствие чего на Марсе, как и на Земле, есть четыре времени года.

Атмосфера Марса слишком разрежена, чтобы задерживать губительные солнечные ультрафиолетовые лучи. Ее состав примерно такой: 95% углекислого газа, 2-3% азота, 1-2% аргона, 0,1-0,4% кислорода, а также следы водяного пара и

красноватый вид планеты (из-за чего она была названа Марсом, именем бога войны) обусловлен наличием большого числа окислов железа в марсианской коре.

Планеты-гиганты.

Планеты-гиганты не имеют твердой поверхности, так как но химическому составу и плотностью напоминают звезды, а их большая масса является причиной нагревания ядер до температуры большей 10000 С. У всех планет-гигантов имеются спутники (исчисляемые десятками), причем некоторые из них превышают своими размерами Луну.

Юпитер(5 от Солнца) был назван в честь мифологического римского царя богов и владыки Вселенной Юпитер представ­ляет собой огромный, быстро вращающийся жидкий шар, увенчанный толстой атмосферой, состоящей в основном из во­дорода и гелия. Юпитер является источником энергии: он излучает почти в два раза больше энергии, чем получает от Солнца. Источником энергии Юпитера является продолжаю­щееся до сих пор сжатие под действием сил тяготения. Так что Юпитер, в некотором смысле, является несостоявшейся (из-за слишком «малой» массы) звездой.

Сатурн (6 от Солнца) особенностью является его роскошное кольцо, открытое еще Галилеем. Сатурн - это многослойный шар с постепенным переходом от жидкости к газу состоящий в основном из водорода и гелия. Вблизи верхней границы облаков температура около 86 К, а в центре экваториальной зоны она доходит до 92 К. Там полыхают молнии и сверкают полярные сияния.

Уран(7 от Солнца) обладает всеми свойствами планет-гигантов, отличие его состоит в том, что осевое вращение Урана происходит в направлении, противоположном направлению вращения всех других планет. Вращается Уран «лежа на боку», поэтому в течение года происходит значительное изменение условий освещенности планеты.

Нептун(8 от Солнца) самая удаленная от Солнца из планет гигантов, поэтому температура очень низкая (менее – 200 0 С). Нептун имеет 3 спутника.

1. Если стеклянную палочку потереть о шёлк или бумагу, то она приобретёт способность притягивать лёгкие тела, например бумажки, волосы и пр. Тот же эффект можно наблюдать, если поднести к лёгким предметам эбонитовую палочку, потертую о мех. Тела, которые в результате трения приобретают способность притягивать другие тела, называют наэлектризованными или заряженными, а явление приобретения телами электрического заряда называют электризацией .

Подвесив на двух нитях лёгкие шарики из фольги и коснувшись каждого из них стеклянной палочкой, потёртой о шёлк, можно увидеть, что шарики оттолкнутся друг от друга. Если потом коснуться одного шарика стеклянной палочкой, потёртой о шёлк, а другого эбонитовой палочкой, потёртой о мех, то шарики притянутся друг к другу. Это означает, что стеклянная и эбонитовая палочки при трении приобретают заряды разных знаков, т.е. в природе существуют два рода электрических зарядов, имеющих противоположные знаки: положительный и отрицательный. Условились считать, что стеклянная палочка, потёртая о шёлк, приобретает положительный заряд, а эбонитовая палочка, потёртая о мех, приобретает отрицательный заряд.

Из описанного опыта также следует, что заряженные тела взаимодействуют друге другом. Такое взаимодействие называют электрическим . При этом одноимённые заряды, т.е. заряды одного знака, отталкиваются друг от друга, а разноимённые заряды притягиваются друг к другу .

На явлении отталкивания одноимённо заряженных тел основано устройство электроскопа - прибора, позволяющего определить, заряжено ли данное тело (рис. 77), и электрометра, прибора, позволяющего оценить значение электрического заряда (рис. 78).

Если заряженным телом коснуться стержня электроскопа, то листочки электроскопа разойдутся, поскольку они приобретут заряд одного знака. То же произойдёт со стрелкой электрометра, если коснуться заряженным телом его стержня. При этом, чем больше заряд, тем на больший угол отклонится стрелка от стержня.

2. Из простых опытов следует, что сила взаимодействия между заряженными телами может быть больше или меньше в зависимости от величины приобретённого заряда. Таким образом, можно сказать, что электрический заряд, с одной стороны, характеризует способность тела к электрическому взаимодействию, а с другой стороны, является величиной, определяющей интенсивность этого взаимодействия.

Заряд обозначают буквой ​\(q \) ​, за единицу заряда принят кулон: ​\([q] \) ​ = 1 Кл.

Если коснуться заряженной палочкой одного электрометра, а затем этот электрометр соединить металлическим стержнем с другим электрометром, то заряд, находящийся на первом электрометре, поделится между двумя электрометрами. Можно затем соединить электрометр с ещё несколькими электрометрами, и заряд будет делиться между ними. Таким образом, электрический заряд обладает свойством делимости. Пределом делимости заряда, т.е. наименьшим зарядом, существующим в природе, является заряд электрона. Заряд электрона отрицателен и равен 1,6·10 -19 Кл. Любой другой заряд кратен заряду электрона.

3. Электрон - частица, входящая в состав атома. В истории физики существовало несколько моделей строения атома. Одна из них, позволяющая объяснить ряд экспериментальных фактов, в том числе явление электризации, была предложена Э. Резерфордом. На основании проделанных опытов он сделал вывод о том, что в центре атома находится положительно заряженное ядро, вокруг которого по орбитам движутся отрицательно заряженные электроны. У нейтрального атома положительный заряд ядра равен суммарному отрицательному заряду электронов. Ядро атома состоит из положительно заряженных протонов и нейтральных частиц нейтронов. Заряд протона по модулю равен заряду электрона. Если из нейтрального атома удалены один или несколько электронов, то он становится положительно заряженным ионом; если к атому присоединяются электроны, то он становится отрицательно заряженным ионом.

Знания о строении атома позволяют объяснить явление электризации трением. Электроны, слабо связанные с ядром, могут отделиться от одного атома и присоединиться к другому. Это объясняет, почему на одном теле может образоваться недостаток электронов, а на другом - их избыток. В этом случае первое тело становится заряженным положительно, а второе - отрицательно.

4. Если потереть незаряженные стеклянную и эбонитовую пластинки друг о друга и затем внести их по очереди в полый шар, надетый на стержень электрометра, то электрометр зафиксирует наличие заряда и у стеклянной, и у эбонитовой пластинки. При этом можно показать, что пластинки будут иметь заряд противоположных знаков. Если в шар внести обе пластины стрелка электрометра останется на нуле. Подобное можно обнаружить, если потереть эбонитовую палочку о мех: мех, так же как и палочка, будет заряжен, но зарядом противоположного знака.

В результате трения электроны перешли со стеклянной пластины на эбонитовую, и стеклянная пластина оказалась заряженной положительно (недостаток электронов), а эбонитовая отрицательно (избыток электронов). Таким образом, при электризации происходит перераспределение заряда, электризуются оба тела, приобретая равные по модулю заряды противоположных знаков.

При этом алгебраическая сумма электрических зарядов до и после электризации остаётся постоянной : ​\(q_1+q_2+…+q_n=const \) ​.

В описанном опыте ​\(q_n \) ​ алгебраическая сумма зарядов пластин до и после электризации равна нулю.

Записанное равенство выражает фундаментальный закон природы - закон сохранения электрического заряда . Как и любой физический закон, он имеет определённые границы применимости: он справедлив для замкнутой системы тел, т.е. для совокупности тел, изолированных от других объектов.

Часть 1

1. Если массивную гирю поставить на пластину из изолятора и соединить с электрометром, а затем несколько раз ударить по ней куском меха, то гиря приобретёт отрицательный заряд и стрелка электрометра отклонится. При этом кусок меха приобретёт заряд

1) равный нулю
2) положительный, равный по модулю заряду гири
3) отрицательный, равный заряду гири
4) положительный, больший по модулю заряда гири

2. Два точечных заряда будут притягиваться друг к другу, если заряды

1) одинаковы по знаку и любые по модулю
2) одинаковы по знаку и обязательно одинаковы по модулю
3) различны по знаку, но обязательно одинаковы по модулю
4) различны по знаку и любые по модулю

3. На рисунках изображены три пары одинаковых лёгких заряженных шариков, подвешенных на шёлковых нитях. Заряд одного из шариков указан на рисунках. В каком(-их) случае(-ях) заряд второго шарика может быть отрицателен?

1) только А
2) А и Б
3) только В
4) А и В

4. Ученик во время опыта по изучению взаимодействия металлического шарика, подвешенного на шёлковой нити, с положительно заряженным пластмассовым шариком, расположенным на изолирующей стойке, зарисовал в тетради наблюдаемое явление: нить с шариком отклонилась от вертикали на угол ​\(\alpha \) ​. На основании рисунка можно утверждать,что металлический шарик

1) имеет положительный заряд
2) имеет отрицательный заряд
3) не заряжен
4) либо не заряжен, либо имеет отрицательный заряд

5. Отрицательно заряженное тело отталкивает подвешенный на нити лёгкий шарик из алюминиевой фольги. Заряд шарика:

A. положителен
Б. отрицателен
B. равен нулю

Верными являются утверждения:

1) только Б
2) Б и В
3) А и В
4) только В

6. Металлический шарик 1, укреплённый на длинной изолирующей ручке и имеющий заряд ​\(+q \) ​, приводят поочерёдно в соприкосновение с двумя такими же изолированными незаряженными шариками 2 и 3, расположенными на изолирующих подставках.

Какой заряд в результате приобретёт шарик 2?

1) 0
2) ​\(\frac{q}{4} \) ​
3) \(\frac{q}{3} \)
4) \(\frac{q}{2} \)

7. От капли, имеющей электрический заряд ​\(-2e \) ​, отделилась капля с зарядом ​\(+e \) ​. Каков электрический заряд оставшейся части капли?

1) \(-e \)
2) \(-3e \)
3) \(+e \)
4) \(+3e \)

8. Металлическая пластина, имевшая отрицательный заряд \(-10e \) , при освещении потеряла четыре электрона. Каким стал заряд пластины?

1) \(+6e \)
2) \(+14e \)
3) \(-6e \)
4) \(-14e \)

9. К водяной капле, имевшей электрический заряд \(+5e \) присоединилась кайля с зарядом \(-6e \) . Каким станет заряд объединенной капли?

1) \(+e \)
2) \(-e \)
3) \(+11e \)
4) \(-11e \)

10. На рисунке изображены точечные заряженные тела. Тела А и Б имеют одинаковый отрицательный заряд, а тело В равный им по модулю положительный заряд. Каковы модуль и направление равнодействующей силы, действующей на заряд Б со стороны зарядов А и В?

1) ​\(F=F_А+А_В \) ​; направление 2
2) \(F=F_А-А_В \) ; направление 2
3) \(F=F_А+А_В \) ; направление 1
4) \(F=F_А-А_В \) ; направление 1

11. Из перечня приведённых ниже высказываний выберите два правильных и запишите их номера в таблицу.

1) Сила взаимодействия между электрическими зарядами тем больше, чем больше расстояние между ними.
2) При электризации трением двух тел их суммарный заряд равен нулю.
3) Сила взаимодействия между электрическими зарядами тем больше, чем больше заряды.
4) При соединении двух заряженных тел их общий заряд будет меньше, чем алгебраическая сумма их зарядов до соединения.
5) При трении эбонитовой палочки о мех заряд приобретает только эбонитовая палочка.

12. 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 таблицу выбранные цифры под соответствующими буквами. Цифры в ответе могут повторяться.

ФИЗИЧЕСКАЯ ВЕЛИЧИНА
A) количество протонов на шёлке
Б) количество протонов на стеклянной линейке
B) количество электронов на шёлке

ХАРАКТЕР ИЗМЕНЕНИЯ
1) увеличилась
2) уменьшилась
3) не изменилась

Ответы

Происходящие в природе физические процессы не всегда объясняются действием законов молекулярно-кинетической теории, механики либо термодинамики. Существуют еще электромагнитные силы, которые действуют на расстоянии и не зависят от массы тела.

Их проявления впервые описаны в трудах древних ученых Греции, когда они янтарем, потертым о шерсть, притягивали легкие, маленькие частицы отдельных веществ.

Исторический вклад ученых в развитие электродинамики

Опыты с янтарем подробно изучались английским исследователем Уильямом Гильбертом . В последних годах XVI века он сделал отчет о своей работе, а предметы, способные притягивать другие тела на расстоянии, обозначил термином «наэлектризованные».

Французским физиком Шарлем Дюфе было определено существование зарядов с противоположными знаками: одни образовывались при трении стеклянных предметов о шелковую ткань, а другие - смол по шерсти. Он так и назвал их: стеклянные и смоляные. После завершения исследований Бенджамина Франклина было введено понятие отрицательных и положительных зарядов.

Шарль Кулон реализовал возможность измерения силы зарядов конструкцией крутильных весов собственного изобретения.

Роберт Милликен на основе серии проведенных опытов установил дискретный характер электрических зарядов любого вещества, доказав, что они состоят из определенного количества элементарных частиц. (Не путать с другим понятием этого термина - дробности, прерывистости.)

Труды перечисленных ученых послужили фундаментом современных знаний о процессах и явлениях, происходящих в электрических и магнитных полях, создаваемых электрическими зарядами и их движением, изучаемых электродинамикой.

Определение зарядов и принципы их взаимодействия

Электрическим зарядом характеризуют свойства веществ, обеспечивающих им возможность создавать электрические поля и взаимодействовать в электромагнитных процессах. Еще его называют количеством электричества и определяют как физическую скалярную величину. Для обозначения заряда приняты символы «q» или «Q», а при измерениях используют единицу «Кулон», названную в честь французского ученого, разработавшего уникальную методику.

Им был создан прибор, в корпусе которого использовались подвешенные на тонкой нити из кварца шарики. Они ориентировались в пространстве определенным образом, а их положение регистрировалось относительно проградуированной шкалы с равными делениями.

Через специальное отверстие в крышке к этим шарикам подводился другой шар, обладающий дополнительным зарядом. Возникающие силы взаимодействия заставляли отклоняться шарики, поворачивали их коромысло. Величина разницы отсчетов на шкале до ввода заряда и после него позволяла оценивать количество электричества в испытуемых образцах.

Заряд в 1 кулон характеризуется в системе СИ силой тока в 1 ампер, проходящей через поперечное сечение проводника за время, равное 1 секунде.

Все электрические заряды современная электродинамика разделяет на:

положительные;

отрицательные.

При взаимодействии их между собой у них возникают силы, направление которых зависит от существующей полярности.

Одинакового типа заряды, положительные либо отрицательные, всегда отталкиваются в противоположные стороны, стремясь, как можно дальше удалиться друг от друга. А у зарядов противоположных знаков действуют силы, стремящиеся сблизить их и соединить в одно целое.

Принцип суперпозиции

Когда в определенном объеме находится несколько зарядов, то для них действует принцип суперпозиции.

Его смысл в том, что каждый заряд определенным образом по рассмотренному выше способу взаимодействует со всеми остальными, притягиваясь к разноименным и отталкиваясь от однотипных. К примеру, на положительный заряд q1 действует сила притяжения F31 к отрицательному заряду q3 и отталкивания F21 - от q2.

Результирующая сила F1, действующая на q1, определяется геометрическим сложением векторов F31 и F21. (F1= F31+ F21).

Таким же методом определяются действующие результирующие силы F2 и F3 на заряды q2 и q3 соответственно.

Посредством принципа суперпозиции сделан вывод о том, что при определенном количестве зарядов в замкнутой системе между всеми ее телами действуют установившиеся электростатические силы, а потенциал в любой определенной точке этого пространства равен сумме потенциалов от всех отдельно приложенных зарядов.

Действие этих законов подтверждают созданные приборы электроскоп и электрометр , имеющие общий принцип работы.

Электроскоп состоит из двух одинаковых лепестков тонкой фольги, подвешенных в изолированном пространстве на токопроводящей нити, присоединенной к металлическому шарику. В обычном состоянии на этот шарик заряды не действуют, поэтому лепестки свободно висят в пространстве внутри колбы прибора.

Как можно передавать заряд между телами

Если к шарику электроскопа поднести заряженное тело, например, палочку, то заряд пройдет через шарик по токопроводящей нити к лепесткам. Они получат одноименный заряд и станут отодвигаться друг от друга на угол, пропорциональный приложенному количеству электричества.

У электрометра такое же принципиальное устройство, но он имеет небольшие отличия: один лепесток закреплен стационарно, а второй отходит от него и снабжен стрелкой, которая позволяет снимать отсчет с проградуированной шкалы.

Для переноса заряда от удаленного стационарно закрепленного и заряженного тела на электрометр можно воспользоваться промежуточными носителями.

Измерения, сделанные электрометром, не обладают высоким классом точности и на их основе сложно анализировать силы, действующие между зарядами. Для их исследования больше приспособлены крутильные весы Кулона. У них использованы шарики с диаметрами, значительно меньшими, чем их удаление друг от друга. Они обладают свойствами точечных зарядов - заряженных тел, размеры которых не влияют на точность прибора.

Измерения, выполненные Кулоном, подтвердили его догадку о том, что точечный заряд передается от заряженного тела к такому же по свойствам и массе, но незаряженному таким образом, чтобы равномерно распределиться между ними, уменьшаясь на источнике в 2 раза. Таким способом удалось уменьшать величину заряда в два, три и иное количество раз.

Силы, существующие между неподвижными электрическими зарядами, называют кулоновским либо статическим взаимодействием. Их изучает электростатика, являющаяся одним из разделов электродинамики.

Виды носителей электрических зарядов

Современная наука считает самой маленькой отрицательно заряженной частицей электрон , а положительной - позитрон . Они имеют одинаковую массу 9,1·10-31 кг. Элементарная частица протон обладает всего одним положительным зарядом и массой 1,7·10-27 кг. В природе количество положительных и отрицательных зарядов уравновешено.

В металлах движение электронов создает , а в полупроводниках носителями его зарядов являются электроны и дырки.

В газах ток образуется передвижением ионов - заряженных неэлементарных частиц (атомов или молекул) с положительными зарядами, называемыми катионами либо отрицательными - анионами.

Ионы образуются из нейтральных частиц.

Положительный заряд создается у частицы, потерявшей электрон под действием мощного электрического разряда, светового или радиоактивного облучения, потока ветра, движения масс воды или ряда других причин.

Отрицательные ионы образуются из нейтральных частиц, дополнительно получивших электрон.

Использование ионизации в медицинских целях и быту

Исследователи давно заметили способность отрицательных ионов воздействовать на организм человека, улучшать потребление кислорода воздуха, быстрее доставлять его к тканям и клеткам, ускорять процесс окисления серотонина. Это все в комплексе значительно повышает иммунитет, улучшает настроение, снимает боли.

Первый ионизатор, используемый для лечения людей, получил название люстры Чижевского , в честь советского ученого, который создал прибор, благотворно влияющий на здоровье человека.

В современных электроприборах для работы в бытовых условиях можно встретить встроенные ионизаторы в пылесосы, увлажнители воздуха, фены, сушилки…

Специальные ионизаторы воздуха очищают его состав, уменьшают количество пыли и вредных примесей.

Ионизаторы воды способны снижать количество химических реагентов в ее составе. Их используют для очистки бассейнов и водоемов, насыщая воду ионами меди или серебра, которые уменьшают рост водорослей, уничтожают вирусы и бактерии.

Цель урока:

Образовательная: Формирование начальных представлений об электрическом заряде, о взаимодействии заряженных тел, о существовании двух видов зарядов.
Изучение и выяснение сущности процесса электризации тел.
Воспитательная:
Воспитание любознательности, эмоциональной и доброжелательной атмосферы.
Воспитание умения работать в коллективе.
Развивающая:
Выделять электрические явления в природе и технике.
Определять знак заряда наэлектризованного тела.
Познакомить с краткими историческими сведениями изучения электрических зарядов.

Тип урока: открытие новых знаний

Ход урока.

Организационный момент

Актуализация знаний

Объяснение нового материала

Закрепление

Итог урока. Рефлексия

Оргмомент

Первичный инструктаж по ТБ.

II . Мотивация учебной деятельности

Учитель демонстрирует загадочный эксперимент: «Танцующие человечки».

Учитель:

Ребята, сейчас я покажу вам фокус. Внимательно следите за всеми моими действиями, а в конце моего эксперимента попробуем ответить на мой вопрос.

На демонстрационный стол учитель ставит оборудование с «Танцующими человечками»

Ш. Актуализация знаний

Учитель:

И так, мы закончили изучение темы «Изменение агрегатных состояний вещества», сейчас повторим пройденный материал. На интерактивной доске нанесена сетка кроссворда. Я задаю вопрос и номер вертикальной клетки, в которую надо ученику начинать записывать ответ на вопрос. Когда вы правильно заполните весь кроссворд, то в 10 столбце будет написано слово, которое является темой сегодняшнего урока.

На каждый вопрос будут отвечать разные ученики

Вопросы:

Скалярная физическая величина, которая в данном разделе представлена как «Количество теплоты» (энергия)

Явление передачи внутренней энергии от одного тела к другому или от одной его части к другой (теплопроводность)

Процесс, протекающий с выделением большого количества теплоты при соединении атомов в молекулы (горение)

Один ход поршня в двигателе внутреннего сгорания (такт)

Физическая величина, которая остается постоянной во время процесса перехода вещества из одного агрегатного состояния в другое (температура)

Разновидность теплового двигателя (турбина)

Составная часть теплового двигателя в качестве всего выступает атмосфера (холодильник)

Переход вещества из жидкого состояния в газообразное (парообразование)

Изобретатель универсальной паровой машины. (Уатт)

Процесс перехода вещества из газообразного состояния в жидкое (конденсация)

Интенсивное парообразование, при котором внутри жидкости растут и поднимаются пузырьки пара (кипение)

Изменение материи (явление)

Новый материал

Учитель:

Сначала мы узнаем легенду об электризации, а затем проведем эксперимент.

Выступление

В VI веке до нашей эры древние греки очень любили украшения и мелкие поделки из янтаря, названного ими за его цвет и блеск «электрон» - что значит «солнечный камень». Дочь Фалеса пряла шерсть янтарным веретеном, изделием финикийских мастеров. Как-то, уронив веретено в воду, девушка стала обтирать его краем своего шерстяного хитона и заметила, что к веретену пристало несколько шерстинок. Думая, что они прилипли к веретену, потому что оно все еще влажно, она принялась вытирать его еще сильнее. И что же? Шерстинок налипало тем больше, чем сильнее натиралось веретено. Девушка обратилась за разъяснением этого явления к отцу. Философ не смог сразу объяснить происходящее своей дочери, но похвалив за внимательность, обещал подумать. Вечером Фалес, пробуя очистить веретено, заметил, что при натирании веретена в темноте видны искры. «Тут есть о чём подумать и поразмыслить с моими учениками», - решил Фалес. Фалес понял, что причина в веществе, из которого сделано веретено, и в первый же раз, как к пристани Милета подошел корабль финикийских купцов, он накупил различных янтарных изделий и убедился, что все они, будучи натерты шерстяной материей, притягивают легкие предметы, подобно тому, как магнит притягивает железо. А явление замеченное дочерью Фалес назвал электричеством от слова электрон (янтарь).

Речь идет о распространённом явлении в природе и в жизни людей – электризации тел.

Почему это произошло? В чем суть физического явления? Это нам предстоит выяснить на сегодняшнем уроке.

В тетрадях записываем: тему урока. Сформулируйте цель нашего урока.

Только ли янтарь может притягивать другие тела?

В начале семнадцатого века английский ученый Уильям Гильберт выяснил, что при трении могут электризоваться многие вещества: алмаз, сапфир, сургуч, и что притягивают они не только пушинки, но и металлы, дерево, воду, масло ….

Давайте проверим. (Опыт показывает учитель).

Опыт 1: Наэлектризованная эбонитовая палочка подносится к деревянной линейке. (Линейка, лампа, вкрученная в патрон на подставке, эбонитовая палочка, потертая о мех)

Результат: Линейка начинает вращаться.

Опыт 2: Наэлектризованная стеклянн ая палочка (или плексигласовая линейка, потертая о бумагу или шелк) подносится к живому комнатному цветку.

Результат : Листочки отклоняются к палочке.

Опыт 3: Видеоролик (Шарик и вода)

Результат : Струйка отклоняется к шарику.
Что мы наблюдали в процессе опытов? (После обсуждения опытов, делаем выводы).

Явления, в которых тела приобретают свойства притягивать другие тела , с 17 века называют электризацией. Или говорят: Это процесс сообщения телу электрического заряда.

Электризация тел происходит при их соприкосновении (при контакте). (При трении увеличивается их площадь соприкосновения).

Электризация может происходить не только в результате трения, но и другими способами:

СОПРИКОСНОВЕНИЕМ, УДАРОМ (например, резиновый шланг резко ударить о массивный предмет и поднести к электроскопу),

ПОД ВОЗДЕЙСТВИЕМ СВЕТА.

Раздел теории электричества, в котором изучается взаимодействие неподвижных электрических зарядов называется электростатикой (от электро... и статика от греч. statike - учение о равновесии) .

В 17 веке немецким ученым Отто фон Герике было замечено, что, кроме притяжения, существует электрическое отталкивание. А помогла ему в этих исследованиях сделанная им первая электростатическая машина.

В настоящее время эта машина выглядит так (показать ) и называется электрофорная машина. Чуть позже познакомимся с ней поближе.

В электризации всегда участвует не менее 2-х тел. При этом электризуются оба тела.

Наэлектризованные тела либо притягиваются, либо отталкиваются.

Проверим в действии электрофорную машину. К шарикам электрофорной машины подсоединяем бумажные султанчики, которые находятся на изолирующих подставках.

Опыт 5. (Помогает ученик ). Вращая ручку машины, наблюдаем за их поведением.

А) султанчики подсоединены к одному полюсу машины (листочки султанов отталкиваются);

Б) султанчики подсоединены к разным полюсам машины (листочки султанов притягиваются);

Результат : в природе существуют два вида электрических зарядов.

Какие выводы вы сделали из этой серии экспериментов?

Как проявляется электризация тел? (Электризация проявляется в виде притяжения или отталкивания тел ). Сколько тел участвует в электризации? Как ведут себя тела, имеющие заряды одного вида? Разного вида?

В природе существуют два вида электрических зарядов.

Тела, имеющие электрические заряды одного вида - отталкиваются, а тела, имеющие заряды разного вида - притягиваются.

Шарль Дюфе добился наибольших успехов в систематизации сведений по электрическим эффектам. Шарль Франсуа Дюфе (1698-1739) - французский физик открыл в 18 веке (1733) существование двух видов электричества, которое назвал " стеклянным" и "смоляным ".

Первое возникает на стекле, горном хрустале, драгоценных камнях, шерсти, волосах и т. д.; второе - на янтаре, шелке, бумаге и т. п. При этом установил, что однородные электричества отталкиваются, а разнородные притягиваются.

Представление о положительном и отрицательном зарядах было введено в 1747 году Франклином. Эбонитовая палочка от электризации о шерсть и мех заряжается отрицательно. Заряд, который образуется на стеклянной палочке, потертой о шелк, Франклин назвал положительным.

Стеклянное электричество (стеклянная палочка) - положительное.

Смоляное (эбонитовая палочка) – отрицательное.

Нигде и никогда в природе не возникает и не исчезает заряд одного знака . Заряды появляются парами. Появление положительного заряда всегда сопровождается появлением отрицательного. И наоборот. Это и есть закон сохранения электрического заряда. Положительный заряд в физике обозначается +q или q. Отрицательный заряд – -q.

Электрический заряд – это физическая величина, характеризующая свойства заряженных тел взаимодействовать друг с другом . Измеряется в кулонах (в честь Ш.Кулона.)

Обратите внимание, что приобретаемый заряд тела – относителен. То есть, он зависит от материала взаимодействующих тел. Например, нейлон, потертый о стекло, зарядится отрицательно. Но если его потереть о резину, то он зарядится положительно.

Одним из фундаментальных законов природы является экспериментально установленный 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.

В обычных лабораторных опытах для обнаружения и измерения электрических зарядов используется электрометр – прибор, состоящий из металлического стержня и стрелки, которая может вращаться вокруг горизонтальной оси (рис. 1.1.1). Стержень со стрелкой изолирован от металлического корпуса. При соприкосновении заряженного тела со стержнем электрометра, электрические заряды одного знака распределяются по стержню и стрелке. Силы электрического отталкивания вызывают поворот стрелки на некоторый угол, по которому можно судить о заряде, переданном стержню электрометра.

Рисунок 1.1.1.

Перенос заряда с заряженного тела на электрометр

Электрометр является достаточно грубым прибором; он не позволяет исследовать силы взаимодействия зарядов. Впервые закон взаимодействия неподвижных зарядов был открыт французским физиком в 1785 г. В своих опытах Кулон измерял силы притяжения и отталкивания заряженных шариков с помощью сконструированного им прибора – крутильных весов (рис. 1.1.2), отличавшихся чрезвычайно высокой чувствительностью. Так, например, коромысло весов поворачивалось на 1° под действием силы порядка 10 –9 Н.

Идея измерений основывалась на блестящей догадке Кулона о том, что если заряженный шарик привести в контакт с точно таким же незаряженным, то заряд первого разделится между ними поровну. Таким образом, был указан способ изменять заряд шарика в два, три и т. д. раз. В опытах Кулона измерялось взаимодействие между шариками, размеры которых много меньше расстояния между ними. Такие заряженные тела принято называть точечными зарядами .

На основании многочисленных опытов Кулон установил следующий закон:

Силы взаимодействия неподвижных зарядов прямо пропорциональны произведению модулей зарядов и обратно пропорциональны квадрату расстояния между ними:

Закрепление материала

Выполнение теста.

Решение задач.

1. С какой силой взаимодействуют два заряда по 10 нКл, находящихся на расстоянии 3 см друг от друга?

F= k |q1| |q2|/r2 F= 10-3 H

2. На каком расстоянии друг от друга заряды 1мкКл и 10нКл взаимодействуют с силой 9мН?

F= k|q1||q2|/r2 r2= k|q1||q2|/F; r= 10 cм

Рефлексия. Итог урока.

Что мы узнали? Чему научились? Достигли мы цели урока? Что было сложным? Где в жизни могут вам пригодиться знания, которые вы получили на уроке?

Домашнее задание: §§

** подготовить сообщения «Первые исследователи по изучению природы молнии», «Использование взаимодействия наэлектризованных тел в технике» (дифференцированно)

Оценивание деятельности учащихся на уроке

Электрический заряд является физической величиной, которая присуща некоторым элементарным частицам. Он проявляет себя через силы притяжения и отталкивания между заряженными телами посредством электромагнитного поля. Рассмотрим физические свойства заряда и виды зарядов.

Общее представление об электрическом заряде

Материя, которая имеет отличный от нуля электрический заряд, активно взаимодействует с электромагнитным полем и, в свою очередь, создает это поле. Взаимодействие заряженного тела с электромагнитным полем является одним из четырех типов силовых взаимодействий, которые известны человеку. Говоря о зарядах и видах зарядов, следует отметить, что с точки зрения стандартной модели электрический заряд отражает способность тела или частицы обмениваться носителями электромагнитного поля - фотонами - с другим заряженным телом или электромагнитным полем.

Одна из важных характеристик различных видов заряда - сохранение их суммы в изолированной системе. То есть общий заряд сохраняется сколь угодно длительное время независимо от типа взаимодействия, которое имеет место внутри системы.

Электрический заряд не является непрерывным. В экспериментах Роберта Милликена была продемонстрирована дискретная природа электрического заряда. Виды зарядов, существующие в природе, могут быть положительными или отрицательными.

Положительные и отрицательные заряды

Носителями двух видов зарядов являются протоны и электроны. По историческим причинам заряд электрона считается отрицательным, имеет значение -1 и обозначается -e. Протон имеет положительный заряд +1 и обозначается +e.

Если тело содержит больше протонов, чем электронов, то оно считается положительно заряженным. Ярким примером положительного вида заряда в природе является заряд стеклянной палочки после того, как ее потрут шелковой тканью. Соответственно, если тело содержит больше электронов, чем протонов, оно полагается отрицательно заряженным. Этот вид электрического заряда наблюдается на пластиковой линейке, если ее потереть шерстью.

Отметим, что заряд протона и электрона хоть и очень маленький, он не является элементарным. Обнаружены кварки - "кирпичики", образующие элементарные частицы, которые имеют заряды ±1/3 и ±2/3 относительно заряда электрона и протона.

Единица измерения

Виды зарядов, как положительные, так и отрицательные, в международной системе единиц СИ измеряются в кулонах. Заряд в 1 кулон - это очень большой заряд, который определяется как проходящих за 1 секунду через поперечное сечение проводника при силе тока в нем, равной 1 ампер. Одному кулону соответствует 6,242*10 18 свободных электронов. Это означает, что заряд одного электрона равен -1/(6,242*10 18) = - 1,602*10 -19 кулона. Это же значение, только со знаком плюс, характерно для другого вида зарядов в природе - положительного заряда протона.

Краткая история электрического заряда

Еще со времен античной Греции известно, что если потереть кожу о янтарь, то он приобретает способность притягивать к себе легкие тела, например, солому или перья птиц. Это открытие принадлежит греческому философу Фалесу Милетскому, который жил 2500 лет назад.

В 1600 году английский медик Уильям Гилберт заметил, что многие материалы ведут себя подобно янтарю, если их потереть. Слово "янтарь" в древнегреческом языке звучит как "электрон". Гилберт стал использовать этот термин для всех подобных явлений. Позже появились другие термины, такие как "электричество" и "электрический заряд". В своих работах Гилберт также смог различить магнитные и электрические явления.

Открытие существования притяжения и отталкивания между электрически заряженными телами принадлежит физику Стефану Грею. Первым ученым, который предположил существование двух видов электрических зарядов, был французский химик и физик Шарль Франсуа Дюфе. Явление электрического заряда также подробно исследовал Бенджамин Франклин. В конце XVIII века французский физик Шарль Огюстен де Кулон открыл свой знаменитый закон.

Тем не менее все указанные наблюдения смогли оформиться в стройную теорию электричества только к середине XIX века. Здесь следует отметить важность работ Майкла Фарадея по изучению процессов электролиза и Джеймса Максвелла, который полностью описал электромагнитные феномены.

Современные представления о природе электричества и дискретном электрическом заряде обязаны своим существованием работам Джозефа Томсона, который открыл электрон, и Роберта Милликена, который измерил его заряд.

Магнитный момент и электрический заряд

Виды заряда выделил еще Бенджамин Франклин. Их два: положительный и отрицательный. Два заряда одинакового знака отталкиваются, а противоположного - притягиваются.

С появлением квантовой механики и физики элементарных частиц было показано, что помимо электрического заряда частицы обладают магнитным моментом, который носит название спина. Благодаря электрическим и магнитным свойствам элементарных частиц в природе существует электромагнитное поле.

Принцип сохранения электрического заряда

В соответствии с результатами множества экспериментов, принцип сохранения электрического заряда гласит, что не существует ни какого-либо способа разрушения заряда, ни его создания из ничего, и что в любых электромагнитных процессах в изолированной системе полный электрический заряд сохраняется.

В результате процесса электризации общее количество протонов и электронов не изменяется, существует лишь разделение зарядов. Электрический заряд может появиться в какой-либо части системы, где раньше его не было, но общий заряд системы при этом все равно не изменится.

Плотность электрического заряда

Под плотностью заряда понимается его количество на единицу длины, площади или объема пространства. В связи с этим говорят о трех типах его плотности: линейной, поверхностной и объемной. Поскольку существует два вида заряда, плотность также может быть положительной и отрицательной.

Несмотря на то что электрический заряд квантован, то есть является дискретным, в ряде опытов и процессов количество его носителей настолько велико, что можно считать, что они распределены по телу равномерно. Это хорошее приближение позволяет получить ряд важных экспериментальных законов для электрических явлений.

Исследуя на крутильных весах поведение двух точечных зарядов, то есть таких, для которых расстояние между ними значительно превышает их размеры, Шарль Кулон в 1785 году открыл закон взаимодействия между электрическими зарядами. Этот закон ученый сформулировал следующим образом:

Величина каждой силы, с которой взаимодействуют два точечных заряда в покое, прямо пропорциональна произведению их электрических зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния, разделяющего их. Силы взаимодействия направлены вдоль линии, которая соединяет заряженные тела.

Отметим, что закон Кулона от вида зарядов не зависит: изменение знака заряда лишь изменит направление действующей силы на противоположное, сохранив при этом ее модуль. Коэффициент пропорциональности в законе Кулона зависит от диэлектрической постоянной среды, в которой рассматриваются заряды.

Таким образом, формула для кулоновской силы записывается в следующем виде: F = k*q 1 *q 2 /r 2 , где q 1, q 2 - величины зарядов, r - расстояние между зарядами, k = 9*10 9 Н*м 2 /Кл 2 - коэффициент пропорциональности для вакуума.

Константа k через универсальную диэлектрическую постоянную ε 0 и диэлектрическую постоянную материала ε выражается следующим образом: k = 1/(4*pi*ε*ε 0), здесь pi - число пи, а ε > 1 для любой среды.

Закон Кулона не справедлив в следующих случаях:

• когда заряженные частицы начинают двигаться, и особенно когда их скорости приближаются к около световым скоростям;
• когда расстояние между зарядами мало по сравнению с их геометрическими размерами.

Интересно отметить, что математический вид закона Кулона совпадает с таковым для закона всемирного тяготения, в котором роль электрического заряда играет масса тела.

Способы передачи электрического заряда и электризация

Под электризацией понимается процесс, в результате которого электрически нейтральное тело приобретает отличный от нуля заряд. Этот процесс связан с перемещением элементарных носителей заряда, чаще всего электронов. Наэлектризовать тело можно с помощью следующих способов:

• В результате контакта. Если заряженным телом прикоснуться к другому телу, состоящему из проводящего материала, то последнее приобретет электрический заряд.
• Трение изолятора о другой материал.
• Электрическая индукция. Суть этого явления заключается в перераспределении электрических зарядов внутри тела за счет воздействия электрического внешнего поля.
• Явление фотоэффекта, при котором электроны вырываются из твердого тела за счет воздействия на него электромагнитного излучения.
• Электролиз. Физико-химический процесс, который происходит в расплавах и растворах солей, кислот и щелочей.
• Термоэлектрический эффект. В данном случае электризация возникает за счет градиентов температуры в теле.