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.

В ходе данного урока мы продолжим знакомиться с «китами», на которых стоит электродинамика, - электрическими зарядами. Мы изучим процесс электризации, рассмотрим, на каком принципе основан этот процесс. Поговорим о двух типах зарядов и сформулируем закон сохранения этих зарядов.

На прошлом уроке мы уже упоминали о ранних экспериментах в электростатике. Все они были основаны на натирании одного вещества о другое и дальнейшем взаимодействии этих тел с малыми объектами (пылинками, клочками бумаги…). Все эти опыты основаны на процессе электризации.

Определение. Электризация – разделение электрических зарядов. Это значит, что электроны от одного тела переходят к другому (рис. 1).

Рис. 1. Разделение электрических зарядов

До момента открытия теории о двух принципиально разных зарядах и элементарного заряда электрона считалось, что заряд – некая невидимая сверхлегкая жидкость, и, если она есть на теле, значит, тело обладает зарядом и наоборот.

Первые серьезные опыты по электризации различных тел, как уже было сказано на предыдущем уроке, проводил английский ученый и врач Уильям Гильберт (1544-1603), однако ему не удавалось наэлектризовать металлические тела, и он посчитал, что электризация металлов невозможна. Однако это оказалось неправдой, что впоследствии доказал русский ученый Петров. Однако следующий более важный шаг в исследовании электродинамики (а именно открытие разнородных зарядов) сделал французский ученый Шарль Дюфе (1698-1739). В результате своих опытов он установил наличие, как он их назвал, стеклянных (трение стекла о шелк) и смоляных (янтаря о мех) зарядов.

Еще через некоторое время были сформулированы следующие законы (рис. 2):

1) одноименные заряды взаимно отталкиваются;

2) разноименные заряды взаимно притягиваются.

Рис. 2. Взаимодействие зарядов

Обозначения положительных (+) и отрицательных (–) зарядов было введено американским ученым Бенджамином Франклином (1706-1790).

По договоренности принято называть положительным заряд, который образуется на стеклянной палочке, если натирать ее бумагой или шелком (рис. 3), а отрицательный – на эбонитовой или янтарной палочке, если натирать ее мехом (рис. 4).

Рис. 3. Положительный заряд

Рис. 4. Отрицательный заряд

Открытие Томсоном электрона наконец дало ученым понять, что при электризации никакая электрическая жидкость не сообщается телу и никакой заряд не наносится извне. Происходит перераспределение электронов, как мельчайших носителей отрицательного заряда. В области, куда они приходят, их количество становится большим, чем количество положительных протонов. Таким образом, появляется нескомпенсированный отрицательный заряд. И наоборот, в области, откуда они уходят, появляется нехватка отрицательных зарядов, необходимых для компенсации положительных. Таким образом, область заряжается положительно.

Было установлено не только наличие двух разных видов зарядов, но и два различных принципа их взаимодействия: взаимное отталкивание двух тел, заряженных одноименными зарядами (одного знака) и соответственно притяжение разноименно заряженных тел.

Электризация может производиться несколькими способами:

• трением;
• прикосновением;
• ударом;
• наведением (через влияние);
• облучением;
• химическим взаимодействием.

Электризация трением и электризация соприкосновением

Когда стеклянную палочку натирают о бумагу, палочка получает положительный заряд. Соприкасаясь с металлической стойкой, палочка передает положительный заряд бумажному султану, и его лепестки отталкиваются друг от друга (рис. 5). Этот опыт говорит о том, что одноименные заряды отталкиваются друг от друга.

Рис. 5. Электризация прикосновением

В результате трения о мех эбонит приобретает отрицательный заряд. Поднося эту палочку к бумажному султану, видим, как лепестки притягиваются к ней (см. рис. 6).

Рис. 6. Притяжение разноименных зарядов

Электризация через влияние (наведение)

Поставим на подставку с султаном линейку. Наэлектризовав стеклянную палочку, приблизим ее к линейке. Трение между линейкой и подставкой будет небольшим, поэтому можно наблюдать взаимодействие заряженного тела (палочки) и тела, у которого заряда нет (линейка).

При проведении каждого эксперимента совершалось разделение зарядов, никаких новых зарядов не возникало (рис. 7).

Рис. 7. Перераспределение зарядов

Итак, если мы сообщили любым из вышеуказанных способов электрический заряд телу, нам, конечно же, необходимо каким-либо способом оценить величину этого заряда. Для этого используется прибор электрометр, который был придуман русским ученым М.В. Ломоносовым (рис. 8).

Рис. 8. М.В. Ломоносов (1711-1765)

Электрометр (рис. 9) состоит из круглой банки, металлического стержня и легкого стержня, который может вращаться вокруг горизонтально расположенной оси.

Рис. 9. Электрометр

Сообщая заряд электрометру, мы в любом случае (и для положительного, и для отрицательного заряда) заряжаем и стержень, и стрелку одноименными зарядами, в результате чего стрелка отклоняется. По углу отклонения и оценивается заряд (рис. 10).

Рис. 10. Электрометр. Угол отклонения

Если взять наэлектризованную стеклянную палочку, прикоснуться ею к электрометру, то стрелка отклонится. Это говорит о том, что электрометру был сообщен электрический заряд. В ходе этого же эксперимента с эбонитовой палочкой этот заряд компенсируется (рис. 11).

Рис. 11. Компенсация заряда электрометра

Так как уже было указано, что никакого создания заряда не происходит, а происходит лишь перераспределение, то имеет смысл сформулировать закон сохранения заряда:

В замкнутой системе алгебраическая сумма электрических зарядов остается постоянной (рис. 12). Замкнутой системой называется система тел, из которой заряды не уходят и в которую заряженные тела или заряженные частицы не поступают.

Рис. 13. Закон сохранения заряда

Данный закон напоминает о законе сохранения массы, так как заряды существуют только вместе с частицами. Очень часто заряды по аналогии называют количеством электричества .

До конца закон сохранения зарядов не объяснен, так как заряды появляются и исчезают только попарно. Другими словами, если заряды рождаются, то только сразу положительный и отрицательный, причем равные по модулю.

На следующем уроке мы подробнее остановимся на количественных оценках электродинамики.

Список литературы

1. Тихомирова С.А., Яворский Б.М. Физика (базовый уровень) - М.: Мнемозина, 2012.
2. Генденштейн Л.Э., Дик Ю.И. Физика 10 класс. - М.: Илекса, 2005.
3. Касьянов В.А. Физика 10 класс. - М.: Дрофа, 2010.

1. Интернет-портал «youtube.com» ()
2. Интернет-портал «abcport.ru» ()
3. Интернет-портал «planeta.edu.tomsk.ru» ()

Домашнее задание

1. Стр. 356: № 1-5. Касьянов В.А. Физика 10 класс. - М.: Дрофа. 2010.
2. Почему отклоняется стрелка электроскопа, если к нему прикоснуться заряженным телом?
3. Один шар заряжен положительно, второй - отрицательно. Как изменится масса шаров при их соприкосновении?
4. *К шару заряженного электроскопа поднесите, не дотрагиваясь, заряженный металлический стержень. Как изменится отклонение стрелки?

Электрические заряды, их взаимодействие.

Электрическая цепь постоянного тока, ее основные законы.

Электронная теория строения вещества.

Все вещества в природе состоят из молекул, молекулы из атомов.

Молекула – это наименьшая частица, которой присущи химические свойства данного вещества.

Атом – это наименьшая частица, которой присущи химические и физические свойства данного элемента.

Он состоит из:

· положительно заряженного ядра

· вращающихся по разрешенным орбитам отрицательных электронов.

Ядро состоит из положительных протонов и нейтральных нейтронов.

Заряд электрона равен заряду протона, но знаки противоположные. По размеру и массе эти элементарные частицы не равны, протон больше электрона.

Атом электрически нейтральная частица (не заряжена), то есть, сколько в ядре протонов, столько и электронов вращается вокруг ядра, так как один протон может удержать один электрон.

Таким образом разнообразие окружающего нас мира формируется из различных комбинаций всего трех частиц: нейтрона, протона и электрона, которые в свою очередь тоже имеют внутреннее строение.

Валентные электроны – это электроны, которые находятся на крайней орбите. Ими определяются химические способности вещества и его электропроводность.

Электропроводность – это способность вещества проводить электрический ток.

Электрические заряды, их взаимодействие.

Еще в глубокой древности было известно, что янтарь, потертый о шерсть, приобретает способность притягивать легкие предметы. Позже было установлено, что аналогичным свойством обладают многие другие вещества. Тела, способные, подобно янтарю, после натирания притягивать легкие предметы, называют наэлектризованными. На телах в таком состоянии имеются электрические заряды, а сами тела называем заряженными.

В природе существуют только два вида зарядов - положительные и отрицательные. Заряды одного знака (одноименные заряды) отталкиваются, заряды разных знаков (разноименные заряды) притягиваются.

Наименьшим (элементарным) зарядом обладают элементарные частицы. Например, протон и позитрон заряжены положительно, электрон и антипротон - отрицательно.

Элементарный отрицательный заряд по величине равен элементарному положительному заряду. В системе СИ заряд измеряется в кулонах (Кл). Величина элементарного заряда е = 1,6-10-19 Кл. В природе нигде и никогда не возникает и не исчезает электрический заряд одного знака. Появление положительного электрического заряда + q всегда сопровождается появлением равного отрицательного электрического заряда - q . Ни положительный, ни отрицательный заряды не могут исчезнуть по отдельности один от другого, они могут лишь взаимно нейтрализовать друг друга, если они равны.

Чтобы получить заряд из нейтрального атома нужно подействовать какой-то силой и оторвать электроны, или присоединить чужие электроны к нейтральному атому. В результате при отрыве (например, при трении) получается положительно заряженный атом, который называется положительный ион , а при присоединении – отрицательный ион.

Ионизация – это процесс образования зарядов из нейтрального атома.

Подвесив на двух нитях лёгкие шарики из фольги и коснувшись каждого из них стеклянной палочкой, потёртой о шёлк, можно увидеть, что шарики оттолкнутся дpуг от друга. Если потом коснуться одного шарика стеклянной палочкой, потёpтой о шёлк, а другого эбонитовой палочкой, потёpтoй о мех, то шарики притянутся дpуг 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 друг с другом . Такое взаимодействие зарядов 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, и электрометра , прибора, позволяющего оценить значение электрического заряда.

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.

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.

Электрический заряд – это физическая величина, которая определяет интенсивность электромагнитных взаимодействий. Электромагнитные взаимодействия – это взаимодействия между заряженными частицами или телами.

Электрические заряды делятся на положительные и отрицательные. Положительным зарядом обладают стабильные элементарные частицы – протоны и позитроны , а также ионы атомов металлов и т.д. Стабильными носителями отрицательного заряда являются электрон и антипротон .

Существуют электрически незаряженные частицы, то есть нейтральные: нейтрон , нейтрино . В электрических взаимодействиях эти частицы не участвуют, так как их электрический заряд равен нулю. Бывают частицы без электрического заряда, но электрический заряд не существует без частицы.

На стекле, потёртом о шёлк, возникают положительные заряды. На эбоните, потёртом о мех – отрицательные заряды. Частицы отталкиваются при зарядах одинаковых знаков (одноимённые заряды ), а при разных знаках (разноимённые заряды ) частицы притягиваются.

Все тела состоят из атомов. Атомы состоят из положительно заряженного атомного ядра и отрицательно заряженных электронов, которые движутся вокруг ядра атома. Атомное ядро состоит из положительно заряженных протонов и нейтральных частиц – нейтронов. Заряды в атоме распределены таким образом, что атом в целом является нейтральным, то есть сумма положительных и отрицательных зарядов в атоме равна нулю.

Электроны и протоны входят в состав любого вещества и являются наименьшими устойчивыми элементарными частицами. Эти частицы могут неограниченно долго существовать в свободном состоянии. Электрический заряд электрона и протона называется элементарным зарядом.

Элементарный заряд – это минимальный заряд, которым обладают все заряженные элементарные частицы. Электрический заряд протона равен по абсолютной величине заряду электрона:

Е = 1,6021892(46) * 10 -19 Кл

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

Силы взаимодействия подчиняются третьему закону Ньютона: Они являются силами отталкивания при одинаковых знаках зарядов и силами притяжения при разных знаках (рис. 1.1.3). Взаимодействие неподвижных электрических зарядов называют электростатическим или кулоновским взаимодействием. Раздел электродинамики, изучающий кулоновское взаимодействие, называют электростатикой .

Закон Кулона справедлив для точечных заряженных тел. Практически закон Кулона хорошо выполняется, если размеры заряженных тел много меньше расстояния между ними.

Коэффициент пропорциональности k в законе Кулона зависит от выбора системы единиц. В Международной системе СИ за единицу заряда принят кулон (Кл).

Кулон – это заряд, проходящий за 1 с через поперечное сечение проводника при силе тока 1 А. Единица силы тока (ампер) в СИ является наряду с единицами длины, времени и массы основной единицей измерения .

Коэффициент k в системе СИ обычно записывают в виде:

Опыт показывает, что силы кулоновского взаимодействия подчиняются принципу суперпозиции.