WWW.KNIGI.KONFLIB.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

 
<< HOME
Научная библиотека
CONTACTS

Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 25 |

«3 Лекция 1 • Электричество – основа жизни современного общества. • Странные свойства янтаря. • Электрический заряд. • Электрическое поле. Электричество Введение Сегодня ...»

-- [ Страница 1 ] --

3

Лекция 1

• Электричество – основа жизни современного общества.

• Странные свойства янтаря.

• Электрический заряд.

• Электрическое поле.

Электричество

Введение

Сегодня трудно себе представить, что всего 150 лет назад изучением электрических явлений занимались только ученые, а 200 лет

назад Александр Сергеевич Пушкин писал при свече. Но что такое

150-200 лет? Это всего лишь миг человеческой истории.

Буквально за 100 лет электричество прочно вошло в нашу жизнь.

Вспомним хотя бы несколько бытовых приборов в нашем доме:

электрическая печь, стиральная машина, пылесос, электромясорубка, электрокофеварка, холодильник, телевизор, компьютер. Без некоторых из них, наверное, можно обойтись, однако полное отключение электричества, хотя бы на пару дней, способно не просто выбить нас из колеи, но и стать причиной экологической катастрофы (учтите, что водоснабжение практически любого современного города обеспечивается электрическими насосами).

Электроэнергетика определяет развитие экономики в целом.

Благосостояние населения того или иного государства тесно связано с уровнем энергопотребления на душу населения. В настоящее время энергопотребление распределено по земному шару крайне неравномерно. Отметим, что сегодня, в начале XXI века среднее энергопотребление на душу населения в мире составляет около 3 кВт тепловой мощности. При этом 5 % населения индустриально развитых стран (таких как, например, Германия или США) потребляют по кВт тепловой мощности на человека. А есть страны, у которых этот показатель ниже 0,5 кВт.

Все перечисленные выше проблемы, связанные с электричеством, носят, скорее, социальный характер. Мы же, помня, в чем заключается предмет физики (см. «Механика», лекция 1), займемся далее изучением сущности электричества и его законов.

Основы электростатики Электрический заряд Происхождение понятия электрический заряд связывают с легендой, согласно которой дочь древнегреческого философа и ученого Фалеса Милетского (ок. 625-547 до н. э.) однажды пряла шерсть янтарным веретеном и заметила, что к нему прилипают шерстинки.

Она рассказала отцу о своих проблемах. Фалес проверил и обнаружил, что натертый шерстью янтарь притягивает не только шерстинки, но и нитки, волосы, соломинки и другие мелкие предметы.

Янтарь по-гречески – electron, и поэтому свойство натертого шерстью янтаря притягивать легкие предметы назвали электризацией. Подобным свойством обладает и стекло, потертое шелком. Взаимодействие наэлектризованных тел назвали электрическим взаимодействием. Если тело участвует в электрических взаимодействиях, то говорят, что оно имеет электрический заряд.

Шарль Франсуа Дюф (1698-1739), французский физик, пришел к выводу о существовании двух видов электричества. Оказалось, что при электризации стеклянной палочки на ней возникает заряд, отличающийся по типу от заряда янтарной палочки. Дюфе определил, что одинаково заряженные тела отталкиваются, а тела с разными типами зарядов притягиваются. Довольно долго заряды так и назывались:

стеклянный и смоляной (янтарь – затвердевшая смола). Общепринятое в настоящее время обозначение электрических зарядов «+» и «–»

ввел Бенджамин Франклин (1706-1790), американский просветитель и государственный деятель. Заряд наэлектризованной стеклянной палочки стал считаться положительным, а янтарной – отрицательным. Между прочим, отрицательно заряженная элементарная частица получила название электрон.

В системе СИ единицей электрического заряда является кулон (Кл). Он не относится к основным единицам. Основной электрической единицей является единица измерения силы электрического тока – ампер (А), определяющая, какой заряд протекает по проводнику за единицу времени. Эталонное значение ампера устанавливается на основе закона о магнитном взаимодействии токов (см. закон Ампера в лекции 5).

Один кулон – это заряд, проходящий за 1 секунду через сечение проводника, по которому течет ток величиной в 1 ампер.

Атомистичность заряда Авторы первых теорий электрических взаимодействий в XVIIIXIX веках чаще всего рассматривали в качестве источника электрических свойств особую невесомую электрическую жидкость. Однако законы электролиза, открытые в 30-х годах XIX века Майклом Фарадеем (1791-1867), английским физиком и физико-химиком, основоположником учения об электромагнитном поле, указывали на дискретность электрического заряда. В 1911 величина элементарного электрического заряда была установлена прямыми измерениями американского физика Роберта Эндрюса Милликена (1868-1953).

Современное значение элементарного заряда: е = 1,60219·10–19 Кл.

Электрический заряд является неотъемлемым свойством большинства элементарных частиц. Заряд всех элементарных частиц (если он есть) одинаков по абсолютной величине и равен элементарному заряду. Правда в конце XX века возникла гипотеза о существовании частиц с дробными электрическими зарядами. Частицы с зарядами ±1 3 и ± 2 3, из которых, как предполагается, могут состоять все известные элементарные частицы, участвующие в сильных взаимодействиях, назвали кварками. В настоящее время кварковая гипотеза оформилась в отдельный раздел теоретической физики – квантовую хромодинамику. Как следует из этой теории, кварки не могут существовать в свободном состоянии. Следовательно, в природе могут наблюдаться элементарные частицы только с электрическими зарядами, равными элементарному.



Закон Кулона Великий русский ученый Дмитрий Иванович Менделеев (1834говорил: «Наука начинается с тех пор, как начинают измерять.

Точная наука немыслима без меры».

Начало количественного изучения электрических явлений относится к концу XVIII века. В 1767 году Джозеф Пристли (1733-1804), английский философ, химик (отметим, кстати, что именно он открыл кислород) и общественный деятель, опубликовал результаты своих наблюдений, согласно которым внутри заряженной сферы отсутствует действие электрической силы. На основе этого факта он сделал правильный вывод о том, что электрические силы зависят от расстояния так же, как и гравитационные, т.е. убывают обратно пропорционально квадрату расстояния (см. лекцию 5 из «Механики»).

Шарль Огюстен Кулон (1736-1806), французский физик и военный инженер, в 1785 году экспериментально подтвердил выводы Пристли и установил закон взаимодействия электрических зарядов.

Установка, с помощью которой Кулон измерял силы, действующие между заряженными телами, представлена на рис. 1.1. На тонкой металлической нити подвешено легкое изолирующее коромысло, имеющее на одном конце небольшой шарик, а на другом противовес. Верхний конец нити закреплен на вращающейся головке прибора, позволяющей точно отсчитывать угол закручивания нити. Большой стеклянный баллон за- Рис. 1. щищает чувствительные части прибора от движения воздуха. Внутрь прибора можно вносить второй шарик, такого же размера, как и первый. Чтобы установить зависимость силы взаимодействия от расстояния между зарядами, шарикам сообщают произвольные заряды, касаясь их третьим заряженным шариком. Шарики, отталкиваясь, устанавливаются на некотором расстоянии, которое измеряют. Затем вращают головку прибора и закручивают нить подвеса, измеряя при этом расстоянии между шариками.

Из механики известно, что при упругой деформации угол закручивания пропорционален моменту силы, а, зная плечо, можно определить и силу.

В результате опытов Кулон пришел к выводу, что сила взаимодействия двух зарядов направлена вдоль линии, соединяющей заряды, и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.

Аналогичные эксперименты с заряженными телами провел и Генри Кавендиш (см. «Механика», лекция 5, раздел «Опытное определение гравитационной постоянной»), но он не опубликовал своих результатов.

Сила взаимодействия между шариками зависит и от значений их зарядов. Однако во времена Кулона не только не умели точно измерять электрические заряды, но даже не знали, что является носителем электрических свойств. Сам Кулон, как и многие его современники, считал, что существует особая электрическая жидкость, способная перетекать от одного тела к другому, если их соединить металлическим проводником. Поэтому, если к одному из заряженных шариков прикоснуться таким же незаряженным шариком, то заряд распределится между ними поровну, т.е. уменьшится в два раза (подобно тому, как разделится вода между двумя одинаковыми сообщающимися сосудами). Повторяя этот прием, можно уменьшить заряд еще в два раза и т. д. Оказалось, что сила взаимодействия между шариками пропорциональна величине заряда каждого шарика.

Таким образом, Кулон установил, что сила, действующая между зарядами q1 и q2, определяется следующим соотношением:

qq F = k 1 22, (1.1) r где r – расстояние между зарядами, а k – коэффициент пропорциональности, зависящий от единиц измерения зарядов, силы и расстоя- F Н·м2/Кл2.

Для того чтобы выразить не только значение силы, но и направРис. 1.2.

ление, закон Кулона можно представить в векторной форме (рис.

1.2):

Описанные опыты были проведены в воздухе, в котором взаимодействие зарядов мало отличается от взаимодействия в вакууме.

Поэтому формулы (1.1) и (1.1а) выражают закон взаимодействия зарядов в вакууме.

Следует отметить также, что закон Кулона имеет такой простой вид только потому, что получен для заряженных тел, размерами которых можно пренебречь по сравнению с расстояниями между ними, т.е. для точечных зарядов.

Зная закон взаимодействия между точечными зарядами, можно найти силу взаимодействия между телами конечных размеров. Для этого нужно разбить каждое из этих тел на столь малые части, чтобы заряды, сосредоточенные на них, можно было бы считать точечными. Затем вычислить взаимодействия между зарядами, взятыми попарно, и векторно сложить эти силы.

Рационализированная запись формул Многие формулы электродинамики становятся компактнее, если в законе Кулона использовать рационализированную форму записи константы k Тогда выражение (1.1а) примет вид:

где 0 – физическая константа, называемая электрической постоянной. Численное значение 0 = 8,85418810-12 Ф/м. Фарад (Ф) – единица электроемкости (см. лекцию 3), названная в честь Фарадея.

Закон сохранения заряда В макроскопических телах электрические заряды противоположных знаков с большой степенью точности компенсируют друг друга. Например, в теле человека примерно 1028 отрицательных электронов и ровно столько же положительных протонов, так что в целом человеческое тело электрически нейтрально. А что случится, если в вашем теле число электронов вдруг увеличится хотя бы всего на одну миллиардную (!) от их общего количества (одна миллиардная от 1028 составляет 1019), а в теле вашего соседа уменьшится на столько же? Чтобы узнать это, вычислим силу, с которой взаимодействовали бы два точечных заряда по 1019·1,6·10–19 Кл каждый на расстоянии 1 м:

То есть между вами возникла бы сила притяжения, равная весу тела массой примерно 2 миллиона тонн (!) на поверхности Земли. Такой эффект было бы трудно не заметить. Мы без труда почувствовали бы и силу в миллиард раз меньшую. Поэтому, если бы где-то в результате какого-либо процесса баланс между положительными и отрицательными зарядами изменился хотя бы даже совсем ненамного, этот факт не остался бы незамеченным.

Согласно современным представлениям электрические заряды могут исчезать и возникать. Однако всегда возникают или исчезают одновременно два элементарных заряда противоположных знаков.

Суммарный заряд электрически изолированной системы (система называется электрически изолированной, если через ограничивающую ее поверхность не протекает электрический ток) не может изменяться.

Последнее утверждение носит название закона сохранения электрического заряда.



Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 25 |
 



Похожие работы:

«Чернобыль. Последствия аварии на атомном реакторе для Федеративной Республики Германии и Германской Демократической Республики. Перевод – к.ф.н. Инга Левит 1 Доктор Мелани Арндт – руководитель интернационального проекта Политика и общество после Чернобыля. Беларусь, Украина, Россия, Литва и Германия в сравнительной и исторической перспективе (1986-2006). Центр современной истории. Потсдам. Финансовую поддержку проекта осуществлял фонд Volkswagen-Stiftung Перевод – к.ф.н. Инга Левит Эта...»

«ОБРАЩЕНИЕ К ГЛАВАМ ГОСУДАРСТВ, ПАРЛАМЕНТОВ, ПРАВИТЕЛЬСТВ СООБЩЕСТВА СТРАН ЕС, ОЧЭС, СДС, БРИК, АТЭС И К УЧАСТНИКАМ Международного Экологического Проекта Мирный Водород и Энергетика. З А П Р О С: Прошу Вас, дать ответ на предложение участия Вашей Страны в Международном Экологическом Проекте Мирный Водород и Энергетика (МЭП МВЭ) и создания инфраструктуры Международного Технического Консорциума Новые Экологические и Энергетические Проекты (МТК НЭЭП), регистрации в Европе вертикально...»

«СХЕМА КОМПЛЕКСНОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ И ОХРАНЫ ВОДНЫХ ОБЪЕКТОВ БАССЕЙНА РЕКИ ВОЛХОВ Книга 3 Целевые показатели 1 ПРОЕКТ Схема комплексного использования и охраны водных объектов Книга 3 Целевые показатели 1 Общая характеристика целевого состояния речного бассейна по завершении выполнения мероприятий схемы Общая схема рассматриваемой части бассейна реки Волхов с указанием административных единиц и водохозяйственных подучастков показана на карте-схеме (Карта 1.1). Тверская область Область представляет...»

«На чём ты медитируешь, Подруга светлых дней? Какую мантру дашь душе Измученной моей? БГ. Часть первая. Цветок мира Четыре года назад наша машина летела по залитому солнцем немецкому автобану. Дети спали на заднем сиденье. Муж сказал мрачно: — Ладно, я там с детьми погуляю, а ты заседай. — Мог бы и не ездить, — огрызнулась я, — Кто тебя заставлял? — Ты что, всерьз думаешь, что я отпущу тебя одну с грудным ребнком к чрту на кулички? Помолчав, он добавил. — Ты хоть расскажи мне, что это за Роза...»

«2 ПЕРСПЕКТИВНЫЕ o ТЕХНОЛОГИИ В o 6 ОБЛАСТИ ЭНЕРГЕТИКИ В поддержку Плана действий G8 Сценарии и КРАТКИЙ ОБЗОР стратегии И ПОСЛЕДСТВИЯ до 2050 г. ПРОВОДИМОЙ ПОЛИТИКИ 2 ПЕРСПЕКТИВНЫЕ o ТЕХНОЛОГИИ В o 6 ОБЛАСТИ ЭНЕРГЕТИКИ Сценарии и стратегии до 2050 г. В какой степени технологии могут внести свой вклад в формирование адекватных и надежных поставок энергии при низких выбросах CO2? Какие энергетические технологии являются наиболее многообещающими? Сколько времени потребуется для их внедрения? На...»

«Справка Проект выполнен в соответствии с действующими законами РФ, нормами и правилами, обеспечивающими безопасную эксплуатацию зданий и сооружений при соблюдении предусмотренных проектом мероприятий, и соответствует исходным данным, техническим условиям и требованиям по проектированию и строительству. Главный инженер проекта В.Б.Лапшин ТЭЦ-26- филиал ОАО Мосэнерго. Энергоблок ст. № 8 ПГУ-420. Проект. Том 8. Книга 1. 1 2 /2007-П3 3 Аннотация Проект строительства нового энергоблока станционный...»

«А.К. Быстрова ПРОБЛЕМЫ ГЛОБАЛЬНОЙ ИНФРАСТРУКТУРЫ В ЦЕНТРАЛЬНОАЗИАТСКОМ РЕГИОНЕ Оптимизация роли России Москва ИМЭМО РАН 2013 3 УДК 338.49(575) ББК 65.7(5) Быс 955 Серия Библиотека Института мировой экономики и международных отношений основана в 2009 году Рецензент доктор политических наук Д.Б. Малышева Ответственный редактор доктор экономических наук И.М. Могилевкин Быс 955 Быстрова А.К. Проблемы глобальной инфраструктуры в центральноазиатском регионе. Оптимизация роли России. – М.: ИМЭМО РАН,...»

«ПУТЬ К ИСТИНЕ (Азы Сокровенных Знаний) КНИГА III Из Глубины Веков 2 Прошло ещё две недели. Собираясь на очередную встречу с Ярославом для просмотра фильма Вера и обсуждения вопросов, поднимаемых Сергеем Стрижаком в проекте Игры Богов, а я даже сказал бы в киноэпопее Игры Богов, я вспомнил последний разговор со своим однокурсником, а теперь и соседом Сергеем. Помня, как шокировали его сведения, полученные на предыдущей встрече Путь к Истине, было бы интересно узнать, как он в последующем...»

«РУКОВОДИТЕЛЬ ФЕДЕРАЛЬНОГО МЕДИКО-БИОЛОГИЧЕСКОГО АГЕНТСТВА МЗСР РФ Валентин Викторович Уйба На пороге нового тысячелетия атомная энергетика страны всту­пила в эпоху­ кру­пных перемен, этап преобразований, связанных с дальнейшим интенсивным развитием отрасли. Одним из важнейших у­словий фу­нкционирования объектов атомной энергетики является здоровье работников атомных электростанций. В связи с этим придается огромное значение развитию промышленного здравоохранения, так как оно является одной из...»






 
© 2013 www.knigi.konflib.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.