Электр зарядының сақталу заңы, тыныштықтағы зарядтардың өзара әрекеттесуі, Кулон заңы. Элементар электр заряды. Физика, 8 сынып, қосымша материал.

Оқу мақсаттары: – электр зарядының сақталу заңын түсіндіру; -Кулон заңын есептер шығаруда қолдану Теориялық материал § 4.1 Дененi электрлеу. Заряд. Зарядтың сақталу заңы

Электродинамика – бұл материяның ерекше бiр түрiнiң – электромагниттiк өрiстiң табиғатының заңдылықтары мен қасиеттерi туралы, және электрлiк зарядталған денелер немесе бөлшектердiң арасында өзара әсерлесуiн зерттейтiн ғылым.

Ғылымда ашылған (белгiлi) iргелi әсерлесудiң төрт түрi бар: гравитациялық, электромагниттiк, күштi (ядролық) және әлсiз (элементар бөлшектердiң өзгеруiн тудырады). Олардың арасында әр алуан әрi кең тараған электромагниттiк күштер – иiмдi күштер, үйкелiс, бiздiң бұлшық еттерiмiздiң күшi және басқалар.

Электростатика деп тыныштықтағы электрлiк зарядталған денелердi зерттейтiн электродинамиканың бөлiмiн айтады.

Электр заряды (электр мөлшерi) q – дененiң қасиетiн немесе бөлшектердiң электромагниттiк өзара әсерлесуiн және бұндай өзара әсерлесудiң қарқындылығын анықтайтын шама.

Электр зарядының шартты түрде оң және терiс деп аталатын екi түрi бар. Аттас заряды бар денелер бiр-бiрiнен тебiледi, ал әр аттас зарядтары бар денелер – тартылады.

Электр зарядтарын ылғи да тасушы болып элементар бөлшектер және антибөлшектер табылады. Мысалы, протон және антипротон, электрон және позитрон. Антибөлшектер массасы – сәйкес бөлшектердiң массасына тең және электр заряды терiс. Бөлшектердiң антибөлшектермен бiрiккенде аннигиляцияға (өзара жоюға) ұшырайды. Бұл кезде Эйнштейн формуласы бойынша масса энергияға айналады E=mc², мұнда Е – энергия, m – бөлшектiң массасы, c – жарық жылдамдығы (бұл туралы толық мағлұматты 11-шi сынып курсынан бiлесiздер). Ешқандай электр зарядын иеленбейтiн бөлшектер болады, мысалы, нейтрон, нейтрино. Бiрақ бөлшексiз электр зарядының болуы мүмкiн емес.

Электр заряды дискреттi: дененiң барлық электр зарядтарын бүтiн бөлiктерге бөлетiндей ең кiшi элементар электр заряды табылады.

Қалыпты жағдайда дене электрлiк нейтраль жағдайда, себебi кез келген заттың атомындағы электрондар саны ядродағы протондар санына тең және дененiң зарядтарының қосындысы нөлге тең.

Электрлеу деп бұл процесс нәтижесiнде денелер электр зарядын иеленiп, және электромагниттiк өзара әсерлесуге қатысу қабiлетiн айтады.

Дененi электрлеу деп денедегi электр зарядтарын қайта орналастыруды айтады, яғни зарядтардың электрленуi пайда болмайды, тек денелер арасында бөлшектенiп және қайта орналасады.

Электрлеу келесi түрлерге ажыратылады:

• Электр өткiзгiштiк әсерiнен электрлену.
• Үйкелiстiк электрлену.
• Әсер арқылы электрлену.

Дененiң электрлену кезiнде электр зарядының сақталу заңы орындалады: тұйық жүйеде барлық бөлшектердiң зарядтарының алгебралық қосындысы өзгерiссiз қалады. Жүйе тұйық деп аталады, егер зарядталған бөлшектер одан сыртқа шықпаса және сырттан оған енбесе.

Зарядтың сақталу заңы бойынша зарядталған, бiр оң және бiр терiс зарядтардан тұратын, бөлшектер тек қосарланып қана пайда болады және жоғалады, мысалы, протон және антипротон, электрон және позитрон.

§ 4.2 Кулон заңы – электростатиканың негiзгi заңы

Егер денелер арасындағы арақашықтық олардың өлшемдерiмен салыстырғанда бiрнеше есе артық болса, онда зарядталған денелердiң формасы да, өлшемдерi де олардың өзара әсерлесуiне елеулi әсер етпейдi. Бұндай жағдайда ол денелердi нүктелiк дене ретiнде қарастыруға болады.

Тынышталған нүктелiк зарядтар (4.1 – сурет) арасындағы өзара әсерлесу заңы тәжiрибе жүзiнде 1785ж. Шарль Кулон анықтаған және оның есiмiмен аталады.

Кулон заңы: Бостықтағы екi қозғалмайтын зарядталған нүктелiк денелердiң өзара әсерлесу күшi F (кулон күшi) және зарядтардың модульдерiнiң көбейтiндiсiне тура пропорционал және олардың өзара r арақашықтығының квадратына керi пропорционал.

(4.1)

Мұнда k – пропорционалдық коэффициентi, сандық мәнi бiрлiк зарядтардың бiрлiк ұзындығына тең арақашықтықта өзара әсерлесу күшiне тең.

k коэффициентiн мынадай түрде жазу қабылданған

мұнда - электр тұрақтысы, СИ жүйесi бойынша мынаған тең:

Коэффициент k СИ бiрлiгiнде жазылуы бойынша келесi түрде өрнектеледi:

Табиғатта бар ең кiшi заряд – бұл элементар бөлшектер заряды. СИ бiрлiгiнде бұл зарядтың модулi мынаған тең:

www.testent.ru

Есеп шығару үлгiлерi

Есеп 1. Екi нүктелiк заряд ауада бiр-бiрiнен арақашықтықта қандайда бiр күшпен өзара әсерлеседi. Осы зарядтардың майдағы өзара әсерлесу күштерi өзгермеуi (ауадағымен бiрдей болуы) үшiн олардың арақашықтықтары қандай болуы керек?

Шешуi. «Ауа» ортаны «а» индексi және «май» ортаны «м» индексi арқылы белгiлеймiз. Кулон күшi мына формуламен анықталады:

,

мұнда ε – ортаның диэлектриктiк өтiмдiлiгi (енуi). Онда ауада зарядтардың өзара әсерлесу күшi келесi түрде өрнектеледi:

ал осы зарядтардың майдағы өзара әсерлесуi:

Есептiң шарты бойынша ауадағы Кулон күшi майдағы Кулон күшiне тең болуы керек, онда алатынымыз

F_в = F_м,

бұдан

,

немесе

.

Шарты бойынша r_a = = ; ε_a= 1, ε_м= 5. Одан алатынымыз, майда орналасқан зарядтар арасындағы арақашықтық, мынаған тең:

(м).

Жауабы: майдағы зарядтардың, өзара әсерлесу күшi ауадағыдай болуы үшiн, бiр-бiрiнен арақашықтығы болуы керек.

Есеп 2. Тепе-теңдiк күйде болуы үшiн көлемi 9мм³ темiр В кiшкене бөлшектiң керосинге батырылған А шариктен (4.1 – сурет) қандай арақашықтықта орналасуы керек? Шарик заряды 7нКл, ал кiшкене бөлшектiң заряды –2,1 нКл-ға тең.

Темiрдiң тығыздығы 7800 кг/м³, керосиннiң тығыздығы – 800 кг/м³, керосиннiң диэлектриктiк өтiмдiлiгi (енуi) – 2,1.

Шешуi. Кiшкене бөлшекке әсер ететiн күштердiң кескiнiн саламыз (4.2 – сурет). Кiшкене бөлшек тепе-теңдiкте болуы үшiн, оған әсер ететiн барлық күштердiң векторлық қосындысы нөлге тең болады:

Y осiне проекциялап, алатынымыз:

(4.1)

Архимед күшi F_арх = ρ_кgV,

кулондық күш F_к = kq₁q₂/εr²,

кiшкентай бөлшектердiң массасы мынадай белгiлi формула бойынша анықталады m =ε_сV.

Бұл өрнектердi (4.1) формулаға қойып, алатынымыз:

Арақашықтық терiс болмайтындықтан, ақырғы жауапты аламыз:

Өлшем бiрлiгiн тексерейiк:

Сандық мәндерiн қойып:

(м).

Жауабы: кiшкене бөлшек В тепе-теңдiк күйде болуы үшiн, ол зарядталған А шариктен қашықтықта болуы керек.

Түсiнiктеме сөздiк

Диэлектриктер (немесе изоляторлар) – электр тогын өткiзбейтiн заттар.

Ортаның диэлектриктiк енуi – бiртектi диэлектрик iшiнде электр өрiсi кернеулiгiнiң модулi вакуумдегi өрiс кернеулiгiнiң модулiнен неше есе кем екендiгiн көрсететiн физикалық шама.

Кулон – электр зарядының бiрлiгi.

Полярлық емес диэлектриктер – молекулаларындағы және атомдарындағы оң және терiс зарядтардың таралу центрлерi сәйкес келетiн (беттесетiн) заттар.

Полярлық диэлектриктер – молекулалардағы оң және терiс зарядтардың таралу центрлерi сәйкес келмейдi (беттеспейдi).

Өткiзгiштер – электр өрiсiнiң әсерiнен орын ауыстыруға қабiлеттi зарядталған бөлшектерi бар зат.

Электрлеу – нәтижесiнде денеде электр заряды пайда болатын процесс.

Электрлiк диполь – үлкен арақашықтықта модульдары бойынша тең таңбалары қарама-қарсы бiр-бiрiнен белгiлi бiр қашықтықтағы екi нүктелiк заряд жиыны ретiнде қарастыруға болатын молекула.

Электр заряды (электр мөлшерi) q – дененiң немесе бөлшектiң электромагниттiк өзара әсерлесуге түсу қасиетiн сипаттайтын және бұндай әсерлесудiң қарқындылығын анықтайтын шама.

Электростатика – тыныштықтағы электрлiк зарядталған денелердi зерттеуге арналған электродинамиканың бөлiмi.

Электростатикалық өрiс – қозғалмайтын зарядтардың электр өрiсi.

http://www.nuffieldfoundation.org/practical-physics/forces-due-electric-charges

http://www.nuffieldfoundation.org/practical-physics/demonstration-electroscope

http://files.school-collection.edu.ru/dlrstore/669b524b-e921-11dc-95ff-0800200c9a66/4_3.swf

http://www.bilimland.kz/kk/home#lesson=11030