9 класс Раздел 1. Электромагнитные явления.

9 класс
Раздел 1. Электромагнитные явления.
Электризация тел. Электрический заряд. Два рода электрических зарядов.
Дискретность электрического заряда. Строение атома. Электрон. Ион. Закон
сохранения электрического заряда. Электрическое поле. Взаимодействие заряженных
тел. Закон Кулона.
Электризация тел
Еще в глубокой древности было известно, что если потереть янтарь о шерсть, он
начинает притягивать к себе легкие предметы. Позднее это же свойство было
обнаружено у других веществ (стекло, эбонит и др.). Это явление называется
электризацией; тела же, способные притягивать к себе после натирания другие
предметы, — наэлектризованными. Явление электризации объяснялось на основании
гипотезы о существовании зарядов, которые приобретает наэлектризованное тело.
Взаимодействие зарядов. Два вида электрических зарядов
Простые опыты по электризации различных тел иллюстрируют следующие
положения.
1. Существуют заряды двух видов: положительные (+) и отрицательные (-).
Положительный заряд возникает при трении стекла о кожу или шелк, а отрицательный
— при трении янтаря (или эбонита) о шерсть.
2. Заряды (или заряженные тела) взаимодействуют друг с другом. Одноименные
заряды отталкиваются, а разноименные заряды притягиваются.
3. Состояние электризации можно передать от одного тела к другому, что связано с
переносом электрического заряда. При этом телу можно передать больший или
меньший заряд, т. е. заряд имеет величину. При электризации трением заряд
приобретают оба тела, причем одно — положительный, а другое — отрицательный.
Следует подчеркнуть, что абсолютные величины зарядов наэлектризованных трением
тел равны, что подтверждается многочисленными измерениями зарядов с помощью
электрометров.
Объяснить, почему тела электризуются (т. е. заряжаются) при трении, стало
возможным после открытия электрона и изучения строения атома. Как известно, все
вещества состоят из атомов; атомы, в свою очередь, состоят из элементарных частиц
— отрицательно заряженных электронов, положительно заряженных протонов и
нейтральных частиц — нейтронов. Электроны и протоны являются носителями
элементарных (минимальных) электрических зарядов.
Элементарный электрический заряд (е) — это наименьший электрический заряд,
положи­тельный или отрицательный, равный величине заряда электрона:
е = 1,6021892(46) • 10 19 Кл.
Заряженных элементарных частиц существует много, и почти все они обладают
зарядом +е или -е, однако эти частицы весьма недолговечны. Они живут меньше
миллионной доли секунды. Только электроны и протоны существуют в свободном
состоянии неограниченно долго.
Протоны и нейтроны (нуклоны) составляют положительно заряженное ядро
атома, вокруг которого вращаются отрицательно заряженные электроны, число
которых равно числу протонов, так что атом в целом электронейтрален.
В обычных условиях тела, состоящие из атомов (или молекул), электрически
нейтральны. Однако в процессе трения часть электронов, покинувших свои атомы,
может перейти с одного тела на другое. Перемещения электронов при этом не
превышают размеров межатомных расстояний. Но если тела после трения
разъединить, то они окажутся заряженными: тело, которое отдало часть своих
электронов, будет заряжено положительно, а тело, которое их приобрело, —
отрицательно.
Итак, тела электризуются, т. е. получают электрический заряд, когда они теряют
или приобретают электроны. В некоторых случаях электризация обусловлена
перемещением ионов. Новые электрические заряды при этом не возникают.
Происходит лишь разделение имеющихся зарядов между электризующимися телами:
часть отрицательных зарядов переходит с одного тела на другое.
Электрическое поле. Действие электрического поля на электрические
заряды
Электрическое поле — это особая форма материи, посредством которой
осуществляется взаимодействие электрически заряженных частиц.
Введение понятия электрического поля понадобилось для объяснения
взаимодействия электрических зарядов, т. е. для получения ответа на вопросы: почему
возникают силы, действующие на заряды, и как они передаются от одного заряда к
другому?
Понятия электрического и магнитного полей ввел великий английский физик
Майкл Фарадей. Согласно идее Фарадея, электрические заряды не действуют друг на
друга непосредственно. Каждый из них создает в окружающем пространстве
электрическое поле. Поле одного заряда действует на другой заряд, и наоборот. По
мере удаления от заряда поле ослабевает.
С введением понятия поля в физике утвердилась теория близкодействия,
главным отличием которой от теории дальнодействия является идея о существовании
определенного процесса в пространстве между взаимодействующими телами, который
длится конечное время.
Идея эта получила подтверждение в работах великого английского физика Дж. К.
Максвелла, который теоретически доказал, что электромагнитные взаимодействия
должны распространяться в пространстве с конечной скоростью — с, равной скорости
света в вакууме (300 000 км/с). Экспериментальным доказательством этого
утверждения явилось изобретение радио.
Электрическое поле возникает в пространстве, окружающем неподвижный
заряд, точно так же, как вокруг движущихся зарядов — токов либо постоянных
магнитов — возникает магнитное поле. Магнитные и электрические поля могут
превращаться друг в друга, образуя единое электромагнитное поле. Электрическое
поле (как и магнитное) является лишь частным случаем общего электромагнитного
поля. Переменные электрические и магнитные поля могут существовать и без зарядов
и токов, их породивших. Электромагнитное поле переносит определенную энергию, а
также импульс и массу. Таким образом, электромагнитное поле — физическая
сущность, обладающая определенными физическими свойствами.
Итак, природа электрического поля состоит в следующем:
1. Электрическое поле материально, оно существует независимо от нашего
сознания.
2. Главным свойством электрического поля является действие его на
электрические заряды с некоторой силой. По этому действию устанавливается факт
его существования. Действие поля на единичный заряд — напряженность поля —
является одной из его основных характеристик, по которой изучается распределение
поля в пространстве.
Электрическое поле неподвижных зарядов называют электростатическим. Со
временем оно не меняется, неразрывно связано с зарядами, его породившими, и
существует в пространстве, их окружающем.
Строение атома
Одной из первых моделей атома, предложенных учеными, была модель атома
Томсона, то есть она была выдвинута ученым, обнаружившим существование
электрона. Эта модель атома носит название «модель атома кекса».
Атом воображался как «тесто» положительного заряда с вкрапленными в него
«изюминками» - электронами.
Но, как утверждал Эйнштейн: «Истина - это то, что выдерживает проверку
опытом».
И вот в 1911г. английский ученый Эрнест Резерфорд провел эксперимент,
задачей которого было определить строение атома. Схема и идея опыта были
следующими. Узкий пучок α -частиц, испускаемых радиоактивным веществом,
направлялся на тонкую металлическую фольгу, изготовленную из золота, толщиной 1
мкм, то есть 1/1 000 000 м. На этой толщине помещалось 3300 слоев атомов золота,
имеющих диаметр 3x10 -10м.
За пластиной помещался экран, покрытый слоем кристаллов сульфида цинка,
способных светиться под ударами быстрых заряженных частиц.
Наблюдение и фотосъемка осуществлялись с помощью микроскопа по
вспышкам света на экране.
Альфа-частицы имеют положительный заряд, равный по модулю 2е, массу в
7500 раз большую, чем масса электрона (в 4 раза большую, чем масса атома
водорода) и скорость 19200 м/с.
Как Вы думаете, как должны были вести себя α-частицы, бомбардируя атом,
соответствующий модели атома Томсона?
Что же было обнаружено в эксперименте? Было обнаружено, что большинство
α-частиц проходили сквозь атом, как через пустоту, отклоняясь от прямолинейного
направления на углы не более 1-2°. Однако небольшая доля α -частиц, испытывала
отклонения на значительно большие углы. Примерно в одном из 10000 случае
наблюдалось отклонение α-частиц на угол, больший 90°. Сам Резерфорд,
впоследствии, писал: «Это было почти так же невероятно, как если бы вы выстрелили
15-дюймовым снарядом в лист папирусной бумаги, а снаряд вернулся бы назад и
попал в вас».
Как Вы думаете, как тогда должен распределяться положительный заряд в
атоме согласно результатам эксперимента?
Беспрепятственное проникновение α-частиц сквозь тонкую пластинку золота
говорит о том, что атомы вовсе не сплошные, и модель атома Томсона
несостоятельна. Положительные заряды не могут быть распределены по всему
объему атома. Наоборот, положительный заряд сосредоточен в пределах очень малой
области в центре атома. Эту область Резерфорд назвал атомным ядром. Опыты также
показали, что почти вся масса атома сосредоточена в атомном ядре, размеры которого
в 10000 раз меньше диаметра атома. Большинство α-частиц пролетало мимо
массивного ядра, не задевая его, лишь изредка сталкиваясь с ним и «отскакивал
назад».
Модель атома Резерфорда
Как Вы думаете, где же тогда могут находиться электроны в атоме? Могут ли
они находиться в покое?
Нет, так как они упали бы на атомное ядро.
Как бы Вы назвали предложенную вами модель атома?
И Резерфорд предположил, что атом устроен подобно планетарной системе. Как
вокруг Солнца на больших расстояниях от него обращаются планеты, так электроны в
атоме обращаются вокруг атомного ядра.
Радиус круговой орбиты самого далекого электрона и есть радиус атома.
Подсчитывая число α-частиц, рассеянных на различные углы, Резерфорд смог
оценить размеры атомного ядра. Оказалось, что ядро имеет размеры порядка 10 -15м,
размер же самого атома в 10-100 тысяч больше размера атомного ядра.
Если атом мысленно увеличить до размера 10-копеечной монеты, то электрон
оказался бы на расстоянии 1 км от атомного ядра.
Впоследствии удалось определить и заряд ядра. Вскоре Ван-ден-Брук
обнаружил, что заряд ядра атомов химических элементов совпадает с порядковым
номером этих элементов в периодической таблице химических элементов Д.И.
Менделеева.
Тем самым был обнаружен физический смысл порядкового номера элементов в
таблице Менделеева: заряд ядра равен порядковому номеру химического элемента. И
все элементы расположены в порядке возрастания заряда ядра: у каждого следующего
элемента заряд ядра на единицу больше, чем у предыдущего ему элемента.
Так как атом в целом нейтрален, то суммарный заряд электронов равен заряду
атомного ядра. Если принять заряд электрона за единицу, то число электронов в атоме
равно заряду атомного ядра и номеру химического элемента в таблице Менделеева.
Таким образом, атомы разных химических отличаются друг от друга зарядом ядра и,
следовательно, числом электронов движущихся вокруг ядра.
Атомы состоят из ещё меньших частиц трёх видов. В центре атома имеется
ядро, образованное протонами и нейтронами. Вокруг ядра быстро движутся электроны,
образуя так называемые электронные облака. Количество протонов в ядре равно
количеству электронов, движущихся вокруг него. Количество нейтронов может быть
разным.
Масса протона приблизительно равна массе нейтрона. По сравнению с их
массами масса электрона пренебрежимо мала. Электроны относятся к так
называемым отрицательно заряженным частицам, протоны – к положительно
заряженным частицам. Нейтроны – к незаряженным или электронейтральным
частицам. определяются его знаки «+» и «–».
Частицы ядра прочно связаны друг с другом особыми
ядерными силами. Притяжение электронов к ядру гораздо
слабее взаимного притяжения протонов и нейтронов, поэтому
электроны (в отличие от частиц ядра – протонов и нейтронов)
могут отделяться от своих атомов и переходить к другим (см.
рисунок).
В результате переходов электронов образуются ионы –
атомы или группы атомов, в которых число электронов не равно
числу протонов. Если ион содержит отрицательно заряженных частиц больше, чем
положительно
заряженных,
то
такой
ион
называют
отрицательным.
В
противоположном случае ион называют положительным. В верхней части рисунка
показана потеря атомом электрона, то есть образование положительного иона. В
нижней части рисунка – образование из атома отрицательного иона.
Ионы очень часто встречаются в веществах, например, они есть во всех без
исключения металлах. Причина заключается в том, что один или несколько электронов
от каждого атома металла отделяются и движутся внутри металла, образуя так
называемый электронный газ. Именно из-за потери электронов, то есть отрицательных
частиц, атомы металла становятся положительными ионами. Это справедливо для
металлов в любом состоянии – твёрдом, жидком или газообразном (например, для
паров ртути).
Известно, что в твёрдом состоянии все металлы являются
кристаллами. Ионы всех металлов расположены упорядоченно,
образуя кристаллическую решётку. В расплавленных и
испарённых (газообразных) металлах упорядоченное
расположение ионов отсутствует, но электронный газ попрежнему остаётся между ионами.
Ионы могут быть образованы несколькими атомами (группой
атомов). Например, при растворении в воде серной кислоты каждая её молекула
образует два иона водорода 2H+ и один ион кислотного остатка SO42-. Распад
молекулы можно выразить уравнением: H2SO4 = 2H+ + SO42-.
Символ «2–» означает
два дополнительных электрона,
символ «+» означает
один недостающий электрон.
Образование ионов из нейтральных молекул (ионизация) может происходить по
разным причинам. Одну из них, растворение, мы только что рассмотрели. Другая
причина – повышение температуры. При этом увеличивается размах колебаний как
молекул, так и атомов, входящих в их состав. Если температура превысит некоторое
значение, то молекула распадётся, и образуются ионы.Ионизация может происходить и
по другим причинам.
Электризация тел и электрический заряд
Возьмём пластмассовую расчёску или авторучку и проведём ею несколько раз
по сухим волосам или шерстяному свитеру. Как ни удивительно, но после такого
простого действия пластмасса приобретёт новое свойство: начнёт притягивать мелкие
кусочки бумаги, другие лёгкие предметы и даже тонкие струйки воды
Опыты показывают, что два тела – наэлектризованное и ненаэлектризованное –
всегда притягиваются. Примеры: пластмассовая палочка и тонкая струйка воды, янтарь
и сухие травинки. Опыты также показывают, что два тела, наэлектризованные трением
друг о друга, тоже всегда притягиваются. Например, наэлектризовавшись трением о
наше тело (при ходьбе, движениях рук и ног), свитер или юбка притягиваются,
«липнут» к телу.
Наэлектризованные тела (их также называют заряженными или имеющими
заряд) могут не только притягиваться, они могут и отталкиваться. Проведём опыты.
Натрём палочку из эбонита шерстяной варежкой, а палочку из стекла – шёлковым
платком. Подвесив палочки на нитях, увидим, что эбонит и шерсть, а также стекло и
шёлк притягивают друг друга
Однако в 1733 г. французский учёный Ш. Дюфэ проделал опыты и выяснил, что
на электризуемых телах могут образовываться заряды только двух родов. Вот как он
писал в своих научных трудах: «Один род я называю стеклянным электричеством,
другой – смоляным. Тело, наэлектризованное стеклянным электричеством,
отталкивает все тела со стеклянным электричеством и притягивает тела со смоляным
электричеством». Сегодня два рода зарядов мы называем:
положительный заряд (так заряжается стекло,
потёртое о шёлк; шерсть, потёртая об эбонит)
+q
отрицательный заряд (заряд шёлка при трении
о стекло; заряд эбонита при трении о шерсть)
–q
Символом «q» обозначена физическая величина «электрический заряд» (иногда
говорят сокращённо: заряд). Единицей для измерения заряда служит 1 кулон (коротко:
1 Кл). Как ею пользоваться, мы узнаем в 10-м классе. Пока только скажем, что,
электризуя одни и те же тела, легко заметить, что сила их взаимодействия бывает
различной: больше или меньше. Это объясняют тем, что модуль заряда может быть
больше или меньше.
Закон Кулона
Впервые закон взаимодействия неподвижных зарядов был открыт французским
физиком Ш.Кулоном в 1785г. В своих опытах Кулон измерял силы притяжения и
отталкивания заряженных шариков с помощью сконструированного им прибора –
крутильных весов (рис.1), 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.
Точечным зарядом называют заряженное тело, размерами которого в условиях
данной задачи можно пренебречь.
Рисунок 1.
Прибор Кулона
Рисунок 2.
Силы взаимодействия
одноименных и
разноименных зарядов
На основании многочисленных опытов Кулон установил следующий закон:
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.2). 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:
где
– электрическая постоянная.
В системе СИ элементарный заряд e равен:
e = 1,602177·10–19 Кл ≈ 1,6·10–19 Кл.
Опыт показывает, что силы кулоновского взаимодействия подчиняются принципу
суперпозиции.
Если заряженное тело взаимодействует одновременно с несколькими
заряженными телами, то результирующая сила, действующая на данное тело, равна
векторной сумме сил, действующих на это тело со стороны всех других заряженных
тел.
Рис.3
поясняет
принцип
суперпозиции
взаимодействия трех заряженных тел.
на
примере
Рисунок 3.
Принцип суперпозиции электростатических сил
Модель. Взаимодействие точечных зарядов
электростатического
Принцип суперпозиции является фундаментальным законом природы. Однако,
его применение требует определенной осторожности, в том случае, когда речь идет о
взаимодействии заряженных тел конечных размеров (например, двух проводящих
заряженных шаров 1 и 2). Если к системе из двух заряженных шаров поднсти третий
заряженный шар, то взаимодействие между 1 и 2 изменится из-за перераспределения
зарядов.
Принцип суперпозиции утверждает, что при заданном (фиксированном)
распределении зарядов на всех телах силы электростатического взаимодействия
между любыми двумя телами не зависят от наличия других заряженных тел.
Учить § 1-4 «Физика 9 класс» Ф.Я. Божинова http://pidruchnyk.com.ua/354-fizikabozhinova-kryuhn-9-klas.html