\[\vec{F_{21}}=-\vec{F_{12}} \номер\]

Итак, согласно закону Кулона, если частица 1 действует с силой \(\vec{F_{12}}\) на частицу 2, то частица 2 в то же время оказывает равную, но противоположную силу \(- \vec{F_{12}}\) обратно на частицу 2, что, как мы знаем, по закону Ньютона 3 ^rd должно.

В нашем макроскопическом мире мы обнаруживаем, что заряд — это не неотъемлемое фиксированное свойство объекта, а скорее то, что мы можем изменить. Например, потрите нейтральный резиновый стержень мехом животного, и вы обнаружите, что после этого стержень имеет некоторый заряд, а мех имеет противоположный заряд. Бен Франклин определил один вид заряда, появляющийся на резиновом стержне, как отрицательный заряд, а другой — как положительный. Чтобы дать некоторое представление о том, как стержень приобретает отрицательный заряд, мы ненадолго углубимся в атомный мир и даже в субатомный мир. 9{10}\) электронов, что, конечно, было бы большим количеством шариков, но представляет собой ничтожную долю от общего числа электронов в материале чашки.

Основные моменты предыдущего обсуждения:

• Типичный нейтральный макроскопический объект состоит из невероятно огромных количеств обоих видов заряда (около 50 миллионов кулонов каждого на каждый килограмм вещества), одинакового количества каждого вида.
• Когда мы заряжаем объект, мы передаем относительно незначительное количество заряда этому объекту или от него. 9{−7}\) кулонов.
• Когда мы переносим заряд от одного объекта к другому, мы на самом деле перемещаем заряженные частицы, обычно электроны, от одного объекта к другому.

Один момент, который мы не упомянули в обсуждении выше, заключается в том, что заряд сохраняется. Например, если, потирая резиновый стержень мехом, мы передаем резиновому стержню определенное количество отрицательного заряда, то первоначально нейтральный мех остается с точно таким же положительным зарядом. Вспоминая точный баланс между невероятно огромным количеством отрицательного заряда и невероятно огромным количеством положительного заряда в любом макроскопическом объекте, мы признаем, что, заряжая резиновый стержень, мех становится положительно заряженным не потому, что каким-то образом приобретает положительный заряд, а, потому что он теряет отрицательный заряд, а это означает, что исходное невероятно огромное количество положительного заряда теперь (немного) превышает (все еще невероятно огромное) количество отрицательного заряда, оставшегося на мехе и в нем.

Зарядка при трении

Можно было бы задаться вопросом, почему трение резинового стержня о мех животного приводит к переносу электронов с меха на стержень. Если бы можно было вообразить, что хотя бы один электрон мог случайно попасть из меха на стержень, то оказалось бы, что стержень был бы заряжен отрицательно, а мех — положительно, так что любой освободившийся электрон от меха будет притягиваться обратно к меху положительным зарядом на нем и отталкиваться отрицательным зарядом стержня. Так зачем же еще какой-то заряд должен передаваться от меха к стержню? Ответ находится под заголовком «расстояние имеет значение». При трении стержня о мех вы сближаете большое количество молекул меха с молекулами каучука. В некоторых случаях внешние электроны в атомах меха подходят так близко к ядрам атомов на поверхности резины, что сила притяжения этих положительных ядер больше, чем сила притяжения ядра атома каучука. частью которого они являются. Тогда результирующая сила направлена ​​к стержню, рассматриваемые электроны испытывают ускорение по направлению к стержню, которое изменяет скорость таким образом, что электроны движутся к стержню. Зарядка при трении сильно зависит от молекулярной структуры рассматриваемых материалов. Один интересный аспект этого процесса заключается в том, что трение приводит к тому, что большое количество молекул в мехе очень близко подходят к молекулам в резине. Это не значит, что энергия, связанная с трением, каким-то образом передается электронам, заставляя их прыгать с меха на резину. Следует отметить, что мех — не единственный материал, склонный отдавать электроны, а резина — не единственный материал, склонный их приобретать. Явление зарядки при трении называется трибоэлектрификацией. Следующий упорядоченный список тенденций (ограниченного числа) материалов отдавать или принимать электроны называется трибоэлектрической последовательностью:

Наличие и положение воздуха в списке предполагает, что легче поддерживать отрицательный заряд на объектах в воздухе, чем поддерживать на них положительный заряд.

Проводники и изоляторы

Предположим, вы заряжаете резиновый стержень, а затем прикасаетесь им к нейтральному объекту. Некоторый заряд, отталкиваемый отрицательным зарядом на стержне, будет передан первоначально нейтральному объекту. Что происходит с этим зарядом, зависит от материала, из которого состоит изначально нейтральный объект. В случае некоторых материалов заряд останется в том месте, где заряженный стержень касается изначально нейтрального объекта. Такие материалы называются изоляторами, материалами, через которые заряд не может двигаться или через которые движение заряда очень ограничено. Примерами хороших изоляторов являются кварц, стекло и воздух. В случае других материалов заряд почти мгновенно распространяется по всему рассматриваемому материалу в ответ на силу отталкивания (вспомним, что сила вызывает ускорение, которое приводит к движению), которое каждая элементарная частица заряда оказывает на каждую другая элементарная частица с зарядом. Материалы, в которых заряд может свободно перемещаться, называются проводниками. Примерами хороших проводников являются металлы и соленая вода.

Когда вы наносите заряд на проводник, он сразу же распространяется по всему проводнику. Чем больше проводник, тем больше он растекается. В случае очень большого объекта заряд может распространяться настолько сильно, что любой кусок объекта имеет незначительное количество заряда и, следовательно, ведет себя так, как если бы он был нейтральным. У поверхности земли сама земля достаточно велика, чтобы играть такую ​​роль. Если мы закопаем хороший проводник, такой как длинный медный стержень или трубу, в землю, и соединим с ним другой хороший проводник, такой как медный провод, который мы можем соединить с другим металлическим предметом, таким как крышка электрической розетки. , над, но близко к поверхности земли, мы можем воспользоваться преимуществами природы Земли как огромного объекта, состоящего в основном из проводящего материала. Если мы прикоснемся заряженным резиновым стержнем к только что упомянутой металлической накладке, а затем вытащим стержень, то заряд, переданный на металлическую пластину, распространится по земле до такой степени, что накладка станет нейтральной. Мы используем выражение «заряд, переданный накладке, утек в землю». Проводник, соединенный с землей так же, как только что рассмотренная накладка, называется «землей». Акт прикосновения заряженного объекта к земле называется заземлением объекта. Если сам объект является проводником, его заземление (при отсутствии других заряженных объектов) приводит к тому, что он становится нейтральным.

Индукционная зарядка

Если вы держите одну сторону проводника в контакте с землей и подносите заряженный предмет очень близко к другой стороне проводника, а затем, удерживая заряженный предмет близко к проводнику, не касаясь его, разорвете соприкосновения проводника с землей, вы обнаружите, что проводник заряжен зарядом, противоположным тому, который изначально был на заряженном объекте. Вот почему. Когда вы подносите заряженный объект к проводнику, он отталкивает заряд в проводнике прямо из проводника в землю. Затем, когда эти заряды исчезли, если вы прервете путь к земле, проводник застрянет с отсутствием тех заряженных частиц, которые были отброшены в землю. Поскольку первоначальный заряженный объект отталкивает тот же заряд, что и у него, проводник остается с противоположным зарядом.

Поляризация

Давайте снова потрём резиновый стержень мехом и поднесём резиновый стержень к одному концу небольшой полоски нейтральной алюминиевой фольги. Мы видим, что фольга притягивается к резиновому стержню, хотя фольга остается нейтральной. И вот почему:

Отрицательно заряженный резиновый стержень отталкивает свободный отрицательный заряд полоски к другому концу полоски. В результате ближний конец алюминиевой полоски заряжается положительно, а дальний — отрицательно. Итак, резиновый стержень притягивает ближний конец стержня и отталкивает дальний конец. Но поскольку ближний конец ближе, сила притяжения больше силы отталкивания, и результирующая сила направлена ​​к стержню. Разделение зарядов, происходящее в нейтральной алюминиевой полоске, называется поляризацией, и, когда нейтральная алюминиевая полоска положительна на одном конце и отрицательна на другом, мы говорим, что она поляризована.

Поляризация имеет место и в случае диэлектриков, несмотря на то, что заряд не может свободно перемещаться внутри изолятора. Поднесем отрицательно заряженный стержень к одному концу листа бумаги. Каждая молекула в бумаге имеет положительную и отрицательную части. Положительная часть притягивается к стержню, а отрицательная отталкивается. В результате каждая молекула бумаги поляризуется и растягивается. Теперь, если каждую частицу положительного заряда притянуть немного ближе к стержню, а каждую частицу отрицательного заряда отодвинуть немного дальше, чистый эффект в большей части бумаги состоит в том, чтобы оставить ее нейтральной, но в конце концов. заканчивается есть чистый заряд. На ближнем конце отталкиваемый отрицательный заряд сам по себе оставляет притянутый положительный заряд, а на дальнем конце притягивающий положительный заряд сам по себе оставляет отталкиваемый отрицательный заряд.

Как и в случае с алюминиевой полосой, отрицательный резиновый стержень притягивает ближний, положительный конец и отталкивает дальний, отрицательный конец, но ближний конец ближе, поэтому сила притяжения больше, а это означает, что результирующая сила, действующая на полоску бумаги, является притягательной. Опять же, разделение зарядов в бумаге называется поляризацией, и тот факт, что один конец нейтральной полоски бумаги отрицательный, а другой положительный, означает, что полоска бумаги поляризована.

Эта страница под названием B1: Заряд и закон Кулона распространяется под лицензией CC BY-SA 2.5 и была создана, изменена и/или курирована Джеффри В. Шником с помощью исходного контента, который был отредактирован в соответствии со стилем и стандартами LibreTexts. Платформа; подробная история редактирования доступна по запросу.

1. Наверх

• Была ли эта статья полезной?

1. Тип изделия

   Раздел или Страница

   Автор

   Джеффри В.