Силы электромагнитного взаимодействия неподвижных зарядов. Основные положения
Электрический заряд — физическая величина, определяющая силу электромагнитного взаимодействия. Существует два вида электрических зарядов — положительные и отрицательные.
Минимальным положительным зарядом (+е) обладает протон, минимальным отрицательным зарядом (-е) — электрон.
Электрический заряд дискретен: суммарный положительный заряд тела кратен заряду протона, суммарный отрицательный — заряду электрона.
Суммарный заряд электронейтральных тел равен нулю. Электростатическое взаимодействие — взаимодействие неподвижных заряженных тел или частиц.
Заряды одинакового знака отталкиваются, а противоположных знаков притягиваются друг к другу.
Закон сохранения заряда: в электрически изолированной системе алгебраическая сумма зарядов остается постоянной.
Сила электростатического взаимодействия двух точечных зарядов в вакууме определяется законом Кулона:
где q1 и q2 — заряды, r — расстояние между ними,
Система статических зарядов не может быть устойчивой. Взаимодействие между зарядами передается электромагнитным полем, источником которого являются заряды. Электромагнитное поле распространяется в пространстве со скоростью света. Электростатическое поле в данной точке характеризуется напряженностью поля.
Напряженность поля — векторная физическая величина, равная отношению силы Кулона, действующей на пробный положительный заряд q0 в данной точке поля, к величине этого заряда:
Единица напряженности — ньютон на кулон (1 Н/Кл).
Напряженность электростатического поля, созданного точечным положительным зарядом q в точке, находящейся на расстоянии r от него,
Сила, действующая на точечный заряд, помещенный в электростатическое поле, напряженность которого E,
Линии напряженности электростатического поля — линии, касательные к которым в каждой точке поля совпадают по направлению с вектором напряженности электростатического поля.
Напряженность электростатического поля пропорциональна степени сгущения линий напряженности поля. Принцип суперпозиции электростатических полей — напряженность поля системы зарядов равна геометрической (векторной) сумме напряженностей полей, созданных каждым зарядом в отдельности:
Внутри заряженной сферы напряженность электростатического поля равна нулю.
Вне заряженной сферы напряженность электростатического поля совпадает с напряженностью поля точечного заряда, равного заряду сферы и помещенного в ее центре. Напряженность поля, созданная бесконечной заряженной плоскостью, зависит от поверхностной плотности заряда а:
Электромагнитное взаимодействие
Электромагнитное взаимодействие – это взаимодействие, осуществляемое между заряженным телом (или несколькими телами) и электромагнитным полем.
Электромагнитное поле в данном случае выступает основным проводником между заряженными частицами.
Электромагнитное взаимодействие относится к так называемым фундаментальным взаимодействиям (наряду с сильным, слабым и гравитационным). Его проявления видны повсюду в окружающем нас мире. Электромагнитная природа характерна для многих сил в механике, например, сил упругости, натяжения и других.
Источником электромагнитного поля служат заряженные частицы. Взаимодействие нейтральных (лишенных заряда) частиц осуществляется благодаря квантовым эффектам или особенностям их сложной внутренней структуры. Именно это является основным отличием электромагнитного поля от гравитационного, сила воздействия которого распространяется на все частицы без исключения. Однако именно электромагнитное взаимодействие обеспечивает существование молекул и атомов, потому что они связаны между собой электромагнитными силами. Таким образом, именно этот тип взаимодействия лежит в основе всех явлений на нашей планете.
Электромагнитную природу имеют и химические силы, поскольку они объединяют атомы в молекулы. Сила воздействия электромагнитного поля значительно больше, чем гравитационного. В отличие от сильного и слабого взаимодействия радиусом его действия является бесконечность. Такую особенность можно объяснить тем, что главным переносчиком электромагнитного поля является фотон, не имеющий массы.
От слабого взаимодействия электромагнитные силы также отличаются тем, что по отношению к заряду и пространству они всегда сохраняют свою четность. Однако в отличие от сильного взаимодействия, в нем не происходит сохранения изотопического спина.
Сравнение сил электромагнитного взаимодействия с гравитационными
Попробуем сравнить электромагнитное взаимодействие с гравитационным на основе их отношения к протону. Он является стабильной частицей с массой m p = 1 , 67 · 10 — 27 к г и зарядом q p = 1 , 6 · 10 — 19 К л .
| № | Параметр сравнения | Электромагнитное взаимодействие | Гравитационное взаимодействие |
| 1 | Источник | Электрический заряд | Тензор энергии-импульса |
| 2 | Продолжительность | 10 — 21 c | 10 16 с |
| 3 | Тип проявления | Существование молекул, атомов и химических сил | Универсальное с участием всех частиц |
| 4 | Радиус распространения | Бесконечный | Бесконечный |
| 5 | Переносчик | Фотон | Гравитон |
| 6 | Какие частицы взаимодействуют | Заряженные частицы, нейтральные частицы с определенной структурой | Все без исключения |
| 7 | Статическая сила взаимодействия между протонами | F e = q p 2 4 π ε ε 0 r 2 , где ε 0 = 8 , 8 · 10 — 12 Ф м является электрической постоянной, ε — диэлектрической проницаемостью среды, а r – расстоянием между частицами. | F g = G m p 2 r 2 где показатель G равен 6 , 67 · 10 — 11 м 3 к г с 2 , а r означает расстояние между частицами. |
Что такое постоянная электромагнитного взаимодействия
Существует важная величина, называемая постоянной электромагнитного взаимодействия, которая выражается так:
a = e 2 4 π ε 0 h c .
Здесь заряд электрона будет равен e = — 1 , 6 · 10 — 19 К л , а скорость света, распространяющегося в вакууме, – h = h 2 π = 1 , 05 · 10 — 34 Д ж · c , c = 3 · 10 8 м с . Вычислим значение постоянной:
α = ( 1 , 6 · 10 — 19 ) 2 4 · 3 , 14 · 8 , 8 · 10 — 12 · 1 , 05 · 10 — 34 3 · 10 8 ≈ 2 , 56 · 10 — 38 348 , 15 · 10 — 38 ≈ 1 137 .
Разберем несколько примеров применения постоянной в решении задач.
Условие: в вакууме на расстоянии одного метра находятся два протона. Определите силу электростатического и гравитационного взаимодействия между ними.
Решение
Чтобы найти силу гравитации, нам нужно использовать формулу F g = G m p 2 r 2 . Здесь расстояние между частицами будет равно G = 6 , 67 · 10 — 11 м 3 к г с 2 , а m p = 1 , 67 · 10 — 27 к г .
Вычислим значение с учетом этих данных:
F g = 6 , 67 · 10 — 11 1 , 67 · 10 — 27 2 1 2 = 18 , 6 · 10 — 45 ( Н ) .
Для нахождения силы электростатического взаимодействия нам потребуется закон Кулона:
F e = q p 2 4 π ε ε 0 r 2 .
Здесь электрическая постоянная будет равна ε 0 = 8 , 8 · 10 — 12 Ф м . Буквой ε обозначена диэлектрическая проницаемость среды. В вакууме значение данного параметра будет равно единице. Заряд протона такой же, как у электрона, но с противоположным знаком: q p = 1 , 6 · 10 — 19 К л .
У нас есть все нужные данные для расчета. Вычислим ответ:
F e = 1 , 6 · 10 — 19 2 4 · 3 , 14 · 8 , 8 · 10 — 12 · 1 2 = 2 , 56 · 10 — 38 110 , 53 · 10 — 12 = 2 , 31 · 10 — 28 ( Н ) .
Ответ: итоги расчета говорят нам о том, что два протона будут испытывать силу гравитационного притяжения на заданном расстоянии, равную 18 , 6 · 10 — 45 Н . Электростатическое отталкивание в этом случае будет значительно больше: 2 , 31 · 10 — 28 Н .
Условие: найдите значение удельного заряда частицы, при котором сила гравитационного воздействия будет равна по модулю силе электростатического. Взаимодействующие частицы при этом будут одинаковы.
Решение
Решить эту задачу можно с помощью закона всемирной гравитации и закона Кулона.
F g = G m 2 r 2 , буквой m обозначена масса частицы, G – гравитационная постоянная, а r расстояние, на котором расположены частицы.
F e = q 2 4 π ε ε 0 r 2 , буквой q обозначен заряд каждой частицы, ε 0 – электрическая постоянная, а r расстояние между частицами.
Согласно первоначальным условиям, F g = F e , значит, G m 2 r 2 = q 2 4 π ε ε 0 r 2 и 4 π ε ε 0 G m 2 = q 2 → q m = 4 π ε ε 0 G .
Допустим, что данные частицы находятся в вакууме, тогда ε = 1 . Зная, что значение гравитационной постоянной G = 6 , 67 · 10 — 11 м 3 к г с 2 , а электрической – ε 0 = 8 , 8 · 10 — 12 Ф м , можем вычислить ответ:
q m = 4 · 3 , 14 · 8 , 8 · 10 — 12 · 6 , 67 · 10 — 11 ≈ 8 , 9 · 10 — 11 .
Ответ: искомый заряд частицы будет равен 8 , 9 · 10 — 11 К л к г .
От чего зависит сила электростатического взаимодействия
Как известно, частицы, имеющие некоторый заряд, притягиваются друг к другу или отталкиваются с определенной силой. Данное физическое явление приводит к аналогичному взаимодействию между макроскопическими телами, если полный заряд в них не скомпенсирован и имеет некоторую величину. Выражение, определяющее величину силы электростатического взаимодействия, было получено опытным путем в эксперименте с взаимодействием двух заряженных шариков. Была выявлена явная зависимость величины силы от величины заряда образцов, а также от расстояния между ними.
Зависимость от заряда
Итак, сила Кулона описывает взаимодействие заряженных объектов. Для того чтобы описывать степень их заряженности, была введена физическая величина, называемая зарядом и измеряемая в Кулонах. Необходимость введения данной величины следовала из вышеприведённого опыта, в котором сила взаимодействия одноименно заряженных шариков увеличивалась при добавлении им заряда того же знака. При этом, как известно, величина заряда имеет некоторый знак. Поэтому стоит уточнить, что сила Кулона прямо пропорциональна модулю величин зарядов частиц. Обратите внимание, что, говоря о силе электростатического взаимодействия, имеют в виду взаимодействие материальных частиц. То есть выражение Кулона становится несправедливым при рассмотрении макроскопических тел, размер и форма которых далека от материальной точки.
Зависимость от расстояния
Особенно примечательной является зависимость силы электростатического взаимодействия от расстояния между частицами. Как известно, сила Кулона обратно пропорциональна квадрату расстояния между частицами. Таким образом, изменение расстояния в два раза приводит к изменению силы в четыре раза. Подобная зависимость также характерна для гравитационной силы притяжения. Так как величина расстояния стоит в знаменателе выражения для силы, то отсюда следуют и два крайних значения. Первое из них относится к случаю нулевого расстояния между зарядами, тогда сила стремится к бесконечности. Данная ситуация, с одной стороны, нереализуема, ибо рост силы приводит к невозможности соприкосновения частиц, но с другой стороны, подобный эффект наблюдается при формировании атома. На самом деле, при сближении субатомных частиц одного и того же знака происходит либо аннигиляция, если это электроны, либо ядреный синтез и образование атома, если это протоны, за счет появления на определенном этапе сближения ядерной силы притяжения.
Зависимость от среды
Если взаимодействие заряженных частиц происходит не в вакууме, а в некоторой сплошной среде, то сила Кулона будет зависеть еще и от электрических свойств среды. Данное явление выражается математически в появлении дополнительного коэффициента пропорциональности, называемом диэлектрическая постоянная среды.
Силы и частицы или фундаментальное взаимодействие – описание, фото и видео
Силы и частицы
Все на свете, например люди, книги, звезды, состоит из атомов. Диаметр среднего атома восемь миллиардных долей дюйма (1 дюйм равен 2,54 сантиметра). Чтобы наглядно представить себе, насколько мала эта величина, скажем, что толщина страницы книги 500000 атомов.
В каждом таком крошечном атоме есть ядро, состоящее из связанных между собой протонов и нейтронов. Вокруг ядра вращаются по своим орбитам электроны. Они вращаются вокруг ядра так же, как планеты вокруг Солнца.
Из чего состоят атомы?
От молекулы до кварка
Атомы, таким образом, состоят из частиц: протонов, нейтронов и электронов. Эти частицы удерживаются вместе электромагнитными силами. Электромагнитная сила — одна из четырех основных сил, действующих во Вселенной. Отрицательно заряженные электроны притягиваются к положительно заряженным протонам ядра атома. Поэтому электроны стабильно вращаются по своим орбитам. Та же электромагнитная сила заставляет сверкать молнию.
Строение атома
Еще одна сила — это сила тяготения. Она притягивает друг к другу материальные объекты и прямо пропорциональна их массам. Эта сила удерживает планеты на орбитах и заставляет падать на пол сорвавшуюся со стены картину. Сила тяготения заметнее, чем электромагнитная, но последняя намного сильнее. Электрические силы притяжения и отталкивания между заряженными частицами в атоме в огромное число раз больше, чем сила тяготения между ними.
Силы внутриядерного взаимодействия
В ядре атома действуют силы, называемые силами внутриядерного взаимодействия. Эти силы спрессовывают протоны и нейтроны атомного ядра в плотный клубок. Четвертый вид сил — это слабые силы внутриядерного взаимодействия. Они действительно весьма слабы и становятся заметны только в процессе радиоактивного распада ядра при испускании элементарных частиц.
Если Вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.