История открытия закона Кулона

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное агентство по образованию и науки

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

“Омский Государственный Технический Университет”

Нижневартовский филиал

Кафедра “СГ и ЕНд”

Реферат по дисциплине «История электротехники»

Тема: История открытия закона Кулона

Выполнил:

студент группы ЗЭЭ-330НВ

Садыков А.Р.

Проверил: Окунцев П.В

Нижневартовск, 2013

Оглавление

1. Введение

2. Электрический заряд

3. Закон Кулона

4. Напряженность электрического поля

5.Принцип суперпозиции полей

6. Линии напряженности электрического поля

7. Напряженность поля точечного заряда

8.Потенциал

9. Заключение

10. Литература

1. Введение

В 1785 г. французский физик Шарль Кулон экспериментально установил основной закон электростатики - закон взаимодействия двух неподвижных точечных заряженных тел или частиц.

Закон взаимодействия неподвижных электрических зарядов - закон Кулона - основной (фундаментальный) физический закон и может быть установлен только опытным путем. Ни из каких других законов природы он не вытекает.

Закон Кулона является первым открытым количественным, сформулированным на математическом языке законом для электромагнитных явлений. С открытия закона Кулона началась современная наука о электромагнетизме.

2. Электрический заряд

Подобно понятию гравитационной массы тела в механике Ньютона, понятие заряда в электродинамике является первичным, основным понятием. Электрический заряд - это физическая величина, характеризующая свойство частиц или тел вступать в электромагнитные силовые взаимодействия. Электрический заряд обычно обозначается буквами q или Q. Совокупность всех известных экспериментальных фактов позволяет сделать следующие выводы:

Существует два рода электрических зарядов, условно названных положительными и отрицательными.

Заряды могут передаваться (например, при непосредственном контакте) от одного тела к другому. В отличие от массы тела электрический заряд не является неотъемлемой характеристикой данного тела. Одно и то же тело в разных условиях может иметь разный заряд.

Одноименные заряды отталкиваются, разноименные - притягиваются. В этом также проявляется принципиальное отличие электромагнитных сил от гравитационных. Гравитационные силы всегда являются силами притяжения.

Одним из фундаментальных законов природы является экспериментально установленный закон сохранения электрического заряда. В изолированной системе алгебраическая сумма зарядов всех тел остается постоянной:

q1 + q2 + q3 + ... +qn = const.

Закон сохранения электрического заряда утверждает, что в замкнутой системе тел не могут наблюдаться процессы рождения или исчезновения зарядов только одного знака. С современной точки зрения, носителями зарядов являются элементарные частицы. Все обычные тела состоят из атомов, в состав которых входят положительно заряженные протоны, отрицательно заряженные электроны и нейтральные частицы - нейтроны. Протоны и нейтроны входят в состав атомных ядер, электроны образуют электронную оболочку атомов. Электрические заряды протона и электрона по модулю в точности одинаковы и равны элементарному заряду e. e = 1,602177·10-19 Кл ? 1,6·10-19 Кл.

3. Закон Кулона

Если обозначить модули зарядов через |q1| и |q2|, то закон Кулона можно записать в следующей форме:

,

где k - коэффициент пропорциональности, значение которого зависит от выбора единиц электрического заряда. В системе СИ

Н·м2/Кл2,

где е0 - электрическая постоянная, равная 8,85·10-12Кл2

Н·м2 .

Формулировка закона:

сила взаимодействия двух точечных неподвижных заряженных тел в вакууме прямо пропорциональна произведению модулей зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Эту силу называют кулоновской.

Закон Кулона в данной формулировке справедлив только для точечных заряженных тел, т.к. только них понятие расстояния между зарядами имеет определенный смысл. Точечных заряженных тел в природе нет. Но если расстояние между телами во много раз больше их размеров, то ни форма, ни размеры заряженных тел существенно, как показывает опыт, не влияют на взаимодействие между ними. В этом случае тела можно рассматривать как точечные.

Легко обнаружить, что два заряженных шарика, подвешенные на нитях, либо притягиваются друг к другу, либо отталкиваются. Отсюда следует, что силы взаимодействия двух неподвижных точечных заряженных тел направлены вдоль прямой, соединяющей эти тела. Подобные силы называют центральными. Если через обозначить силу действующую на первый заряд со стороны второго, а через - силу, действующую на второй заряд со стороны первого, то, согласно третьему закону Ньютона, . Обозначим через \vec r_{1,2} радиус-вектор, проведенный от второго заряда к первому, тогда

.

Если знаки зарядов q1 и q2 одинаковы, то направление силы совпадает с направлением вектора ; в противном случае векторыи направлены в противоположные стороны.

Зная закон взаимодействия точечных заряженных тел, можно вычислить силу взаимодействия любых заряженных тел. Для этого тела нужно мысленно разбить на такие малые элементы, чтобы каждый из них можно было считать точечным. Складывая геометрически силы взаимодействия всех этих элементов друг с другом, можно вычислить результирующую силу взаимодействия.

Открытие закона Кулона - первый конкретный шаг в изучении свойств электрического заряда. Наличие электрического заряда у тел или элементарных частиц означает, что они взаимодействуют друг с другом по закону Кулона. Никаких отклонений от строгого выполнения закона Кулона в настоящее время не обнаружено.

4. Напряженность электрического поля

Недостаточно утверждать, что электрическое поле существует. Надо ввести количественную характеристику поля. После этого электрические поля можно будет сравнивать друг с другом и продолжать изучать их свойства.

Электрическое поле обнаруживается по силам, действующим на электрический заряд. Можно утверждать, что мы знаем о поле все, что нужно, если будем знать силу, действующую на любой заряд в любой точке поля. Поэтому надо ввести такую характеристику поля, знание которой позволит определить эту силу.

Утверждение о реальности электрического поля состоит в том, что поле существует в определенной области пространства и тогда, когда электрических зарядов в этой области нет. Если поочередно помещать в одну и ту же точку поля небольшие (пробные) заряженные тела, то обнаружится, что сила, действующая на электрический заряд со стороны поля, прямо пропорциональна этому заряду. Действительно, пусть поле создается точечным зарядом q1. Положение произвольной точки А в поле можно задать радиусом-вектором . Если поместить в точку А пробный заряд q, то на него будет действовать сила . Согласно закону Кулона эта сила пропорциональна заряду q:

.

Поэтому отношение силы, действующей на помещаемый в данную точку поля заряд, к этому заряду в любой точке поля не зависит от помещенного заряда и может рассматриваться как характеристика поля. Эту силовую характеристику поля называют напряженностью электрического поля.

Подобно силе, напряженность поля - векторная величина, ее обозначают буквой . Согласно определению напряженность поля равна:

.

Напряженность поля равна отношению силы, с которой поле действует на точечный заряд, к этому заряду.

В каждой точке поля напряженность имеет определенное значение. Это означает, что напряженность поля зависит от координат: . В случае переменных полей она зависит еще от времени. Из предыдущей формулы видно, что сила, действующая на заряд q со стороны электрического поля, равна:

.

Если в точке А заряд q > 0, то векторы и направлены в одну и ту же сторону; при q < 0 эти векторы направлены в противоположные стороны. Но от знака заряда q, на который действует поле, направление вектора не зависит, а зависит направление силы Формула позволяет установить единицу напряженности. В СИ напряженность выражается в ньютонах на кулон (Н/Кл).

Значение напряженности электрического поля, созданного: точечным зарядом q, в точке C, находящейся на расстоянии r от заряда, равно

.

сферой радиуса R, имеющей заряд q, в точке C, находящейся на расстоянии от центра сферы, равно

, если l ? R;

, если l < R.

5.Принцип суперпозиции полей

Если на тело действует несколько сил, то по законам механики Ньютона результирующая сила равна геометрической сумме сил:

В интересующем нас случае телом является заряженное тело или, говоря коротко, электрический заряд.

На электрические заряды действуют силы со стороны поля. Если при наложении в пространстве полей от нескольких зарядов эти поля не оказывают никакого влияния друг на друга, то результирующая сила со стороны всех полей должна быть равна геометрической сумме сил со стороны каждого поля. Именно так и происходит на самом деле. Это означает, что напряженности полей складываются геометрически, так как напряженности прямо пропорциональны силам.

В этом состоит принцип суперпозиции полей, т. е. принцип независимого наложения полей («суперпозиция» в переводе на русский означает «наложение»). Он формулируется так:

если в данной точке пространства различные заряды создают электрические поля, напряженности которых ,, и т д., то результирующая напряженность поля в этой точке равна:

Благодаря принципу суперпозиции для нахождения напряженности поля системы точечных зарядов в любой точке достаточно знать выражение для напряженности поля точечного заряда. а, б показано, как геометрически определяется напряженность поля, созданного двумя зарядами.

Для определения напряженности поля, создаваемого заряженным телом конечных размеров, нужно поступать следующим образом. Мысленно разделить тело на маленькие элементы, каждый из которых можно считать точечным. Определить заряды всех этих элементов и найти напряженности полей, созданных всеми ими в заданной точке. После этого сложить геометрически напряженности от всех элементов тела и найти результирующую напряженность поля. Для тел сложной формы это трудная, но в принципе разрешимая задача. Для ее решения нужно знать, как заряд распределен на теле.

Принцип суперпозиции выполняется лишь тогда, когда электрические поля не меняют свойств среды, т.е. пока внешние поля значительно меньше полей, существующих внутри атомов и молекул. В условиях, рассматриваемых в классической физике, этот принцип в большинстве случаев выполняется, как говорится, «с большим запасом», и поэтому мы будем считать его универсальным.

Введение электрического поля позволяет задачу вычисления сил взаимодействия заряженных частиц разбить на две части. Сначала вычисляют напряженность поля, созданного зарядами, а затем по известной напряженности определяют силы. Такое разделение задачи на части обычно облегчает расчеты сил.

6. Линии напряженности электрического поля

Электрическое поле не действует на органы чувств. Его мы не видим. Тем не менее распределение поля в пространстве можно сделать видимым. Делается это довольно просто.

Мы получим некоторое представление о поле, если нарисуем векторы напряженности поля в нескольких точках пространства. На рисунке 8 таким способом изображено поле положительного точечного заряда. Длины векторов уменьшаются как , а направлены все они по радиусам от заряда. Но в случае произвольного поля картина будет более наглядной, если нарисовать не векторы в отдельных точках, а непрерывные линии, касательные к которым в каждой точке совпадают с направлением вектора напряженности. Эти линии называются линиями напряженности или силовыми линиями электрического поля. За направление силовых линий принимается направление вектора

По картине силовых линий можно судить не только о направлении вектора , но и о его модуле. Действительно, для точечных зарядов напряженность поля увеличивается по мере приближения к заряду, а силовые линии при этом сгущаются. Число силовых линий, приходящихся на поверхность единичной площади, расположенную нормально к силовым линиям, можно считать пропорциональным модулю напряженности.

Покажем это на частном примере. Опишем вокруг точечного заряда q сферу радиусом r. Обозначим число силовых линий, проведенных от заряда q, через N. Это число, разумеется, произвольно. Тогда число силовых линий, приходящихся на единицу площади поверхности сферы, равно:

.

т.е. убывает как . Точно так же убывает с расстоянием напряженность поля точечного заряда. Поэтому

7. Напряженность поля точечного заряда

Найдем напряженность поля, создаваемого точечным зарядом q. Этот заряд действует на другой заряд q0 с силой равной:

где - радиус-вектор, проведенный от заряда q к заряду q0. Напряженность поля точечного заряда q на расстоянии r от него равна:

или .

8. Потенциал

При перемещении пробного заряда q в электрическом поле электрические силы совершают работу. Эта работа при малом перемещении равна

Работа электрических сил при малом перемещении заряда q. Электростатическое поле обладает важным свойством: Работа сил электростатического поля при перемещении заряда из одной точки поля в другую не зависит от формы траектории, а определяется только положением начальной и конечной точек и величиной заряда.

Аналогичным свойством обладает и гравитационное поле, и в этом нет ничего удивительного, так как гравитационные и кулоновские силы описываются одинаковыми соотношениями. Следствием независимости работы от формы траектории является следующее утверждение: Работа сил электростатического поля при перемещении заряда по любой замкнутой траектории равна нулю. Силовые поля, обладающие этим свойством, называют потенциальными или консервативными. На рис. 2 изображены силовые линии кулоновского поля точечного заряда Q и две различные траектории перемещения пробного заряда q из начальной точки в конечную точку. На одной из траекторий выделено малое перемещение. Работа ДA кулоновских сил на этом перемещении равна

Таким образом, работа на малом перемещении зависит только от расстояния r между зарядами и его изменения Дr. Если это выражение проинтегрировать на интервале от r = r1 до r = r2, то можно получить

Работа кулоновских сил при перемещении заряда q зависит только от расстояний r1 и r2 начальной и конечной точек траектории. Полученный результат не зависит от формы траектории. На траекториях I и II, изображенных на рис. 2, работы кулоновских сил одинаковы. Если на одной из траекторий изменить направление перемещения заряда q на противоположное, то работа изменит знак. Отсюда следует, что на замкнутой траектории работа кулоновских сил равна нулю. Если электростатическое поле создается совокупностью точечных зарядов Qi, то при перемещении пробного заряда q работа A результирующего поля в соответствии с принципом суперпозиции будет складываться из работ Ai кулоновских полей точечных зарядов: Так как каждый член суммы Ai не зависит от формы траектории, то и полная работа A результирующего поля не зависит от пути и определяется только положением начальной и конечной точек. Свойство потенциальности электростатического поля позволяет ввести понятие потенциальной энергии заряда в электрическом поле. Для этого в пространстве выбирается некоторая точка, и потенциальная энергия заряда q, помещенного в эту точку, принимается равной нулю.

Потенциальная энергия заряда q, помещенного в любую точку пространства, относительно фиксированной точки равна работе A10, которую совершит электрическое поле при перемещении заряда q из точки в точку:

Wp1 = A10.

В электростатике энергию принято обозначать буквой W, так как буквой E обозначают напряженность поля. Так же, как и в механике, потенциальная энергия определена с точностью до постоянной величины, зависящей от выбора опорной точки. Такая неоднозначность в определении потенциальной энергии не приводит к каким-либо недоразумениям, так как физический смысл имеет не сама потенциальная энергия, а разность ее значений в двух точках пространства. Работа, совершаемая электрическим полем при перемещении точечного заряда q из точки в точку, равна разности значений потенциальной энергии в этих точках и не зависит от пути перемещения заряда и от выбора точки.

A12 = A10 + A02 = A10 - A20 = Wp1 - Wp2.

Потенциальная энергия заряда q, помещенного в электрическое поле, пропорциональна величине этого заряда. Физическую величину, равную отношению потенциальной энергии электрического заряда в электростатическом поле к величине этого заряда, называют потенциалом ц электрического поля:

закон кулон заряд электрический

Потенциал ц является энергетической характеристикой электростатического поля. Работа A12 по перемещению электрического заряда q из начальной точки в конечную точку равна произведению заряда на разность потенциалов (ц1 - ц2) начальной и конечной точек:

A12 = Wp1 - Wp2 = qц1 - qц2 = q(ц1 - ц2).

В Международной системе единиц СИ единицей потенциала является вольт В.

В = 1 Дж / 1 Кл.

Во многих задачах электростатики при вычислении потенциалов за опорную точку удобно принять бесконечно удаленную точку. В этом случае понятие потенциала может быть определено следующим образом: Потенциал поля в данной точке пространства равен работе, которую совершают электрические силы при удалении единичного положительного заряда из данной точки в бесконечность.

Потенциал ц? поля точечного заряда Q на расстоянии r от него относительно бесконечно удаленной точки вычисляется следующим образом:

Как следует из теоремы Гаусса, эта же формула выражает потенциал поля однородно заряженного шара или сферы при r ? R, где R - радиус шара. Для наглядного представления электрического поля наряду с силовыми линиями используют эквипотенциальные поверхности. Поверхность, во всех точках которой потенциал электрического поля имеет одинаковые значения, называется эквипотенциальной поверхностью или поверхностью равного потенциала. Силовые линии электрического поля всегда перпендикулярны эквипотенциальным поверхностям. Эквипотенциальные поверхности кулоновского поля точечного заряда - концентрические сферы. На рисунке представлены картины силовых линий и эквипотенциальных поверхностей некоторых простых электростатических полей.

Эквипотенциальные поверхности синие линии и силовые линии красные линии простых электрических полей: a - точечный заряд; b - электрический диполь; c - два равных положительных заряда. В случае однородного поля эквипотенциальные поверхности представляют собой систему параллельных плоскостей. Если пробный заряд q совершил малое перемещение вдоль силовой линии из точки в точку, то можно записать:

ДA12 = qEДl = q(ц1 - ц2) = - qДц,

где Дц = ц1 - ц2 - изменение потенциала. Отсюда следует

Это соотношение в скалярной форме выражает связь между напряженностью поля и потенциалом. Здесь l - координата вдоль силовой линии. Из принципа суперпозиции напряженностей полей, создаваемых электрическими зарядами, следует принцип суперпозиции для потенциалов:

ц = ц1 + ц2 + ц3 + ...

9. Заключение

Д. А. Лачинов показал условия передачи электроэнергии на большие расстояния (1880 год). Герц экспериментально регистрирует электромагнитные волны. Электротехническая революция -- создание электрических батарей, электромагнитов, электрического освещения, телеграфа, телефона, прокладка трансатлантического кабеля, электродвигателей, электрогенераторов и электротранспорта Таким образом сложилась электрическая теория вещества, согласно которой физические тела представляют собой комплексы взаимодействующих частиц, имеющих электрические заряды, и многие свойства физических тел определяются и могут быть описаны с помощью законов, математическими соотношениями количественно выражающих их взаимодействие и движение. Это было экспериментально подтверждено многими опытами, в том числе открытием Джозефом Томсоном (получившим за это титул лорда Кельвина) в 1897 году носителя отрицательного заряда -- частицы, получившей название «электрон», и исследованием структуры атома Эрнстом Резерфордом (получившим за это титул лорда Нельсона), Фредериком Содди и другими учёными.

В XX веке была создана теория Квантовой электродинамики.В настоящее время электрическая концепция вещества является главной парадигмой физики и позволяет предсказывать и формировать необходимые на практике свойства физических тел и процессов (например, передачи информации или уничтожения промышленных центров неприятеля). В быту электрические явления получили повсеместное распространение, главным образом как средство генерации, передачи и применения энергии (электрические двигатели, электрическое освещение и т. п. ) или информации (телефон, радио, телевидение, электронное фото) -- то есть, для изменения энтропии (разупорядоченности) среды обитания человека.

10. Литература

1. Мякишев Г.Я. Физика: Электродинамика. 10-11 кл.: учеб. для углубленного изучения физики / Г.Я. Мякишев, А.З. Синяков, Б.А. Слободсков. - М.: Дрофа, 2005. - 476 с.

2. Вольштейн С. Л. и др. Методы физической науки в школе: Пособие для учителя / С.Л. Вольштейн, С.В. Позойский, В.В. Усанов; Под ред. С.Л. Вольштейна. - Мн.: Нар. асвета, 1988. - 144 с.

3. Справочник по элементарной физике, Ширкевич М.Г., Москва 1975;

4. Курс общей физики, Т.1, Савельев И.В., Москва 1977;

Размещено на www.allbest.