1.2. Взаимодействие зарядов. Закон Кулона

Введем понятие «точечного заряда». Точечным называется заряд, сосредоточенный на теле, линейные размеры которого пренебрежимо малы по сравнению с расстоянием до других заряженных тел, с которыми он взаимодействует. Понятие точечного заряда, как материальной точки является физической абстракцией.

Сила взаимодействия неподвижных точечных электрических зарядов подчиняется закону электростатического взаимодействия, который был установлен Ш. Кулоном в 1785 году экспериментальным путем с помощью крутильных весов. Кулон установил, что сила взаимодействия между двумя небольшими зараженными металлическими шариками обратно пропорциональна квадрату расстояния r между ними и зависит от величины их зарядов и .

Итак, закон Кулона утверждает: сила взаимодействия между двумя неподвижными точечными зарядами, находящимися в вакууме, пропорциональна зарядам и и обратно пропорциональна квадрату расстояния r между ними.

Этот закон можно записать в виде:

, (1)

где k – коэффициент пропорциональности, зависящий от выбора системы единиц. В СИ , где величина – электрическая постоянная. Она относится к числу фундаментальных физических постоянных: Ф/м или . (Фарад (Ф)– единица электроемкости.) Тогда численное значение коэффициента .

Кулон экспериментально установил, что силы, действующие на заряды, являются центральными, т.е. они направлены вдоль прямой, соединяющей заряды (рис. 1.1).

Рис. 1.1

Для одноименных зарядов ( и или и ) произведение , поэтому в формуле (1) сила F > 0 соответствует случаю взаимного отталкивания одноименных зарядов, а сила F < 0 – случаю взаимного притяжения разноименных зарядов.

Закон Кулона (1) можно записать в векторной форме. Cила , действующая на заряд со стороны заряда равна:

,

где — радиус вектор, соединяющий заряд с зарядом , .

Cила , действующая на заряд со стороны заряда равна:

,

где — радиус вектор, соединяющий заряд с зарядом , .

Таким образом, кулоновские силы и подчиняются третьему закону Ньютона:

.

Кулон изучал взаимодействие между зарядами, находящимися в воздухе. Дальнейшие экспериментальные исследования показали, что при прочих равных условиях, сила электростатического взаимодействия между двумя точечными зарядами зависит от свойств среды, в которой эти заряды находятся. Поэтому ввели безразмерную величину , характеризующую электрические свойства среды – относительную диэлектрическую проницаемость ( ) среды. Она не зависит от выбора системы единиц и считается равной 1 для вакуума.

Относительная диэлектрическая проницаемость ( ) среды показывает, во сколько раз в данной среде сила взаимодействия между двумя точечными зарядами и , находящимися друг от друга на расстоянии r, меньше, чем в вакууме. Тогда, с учетом этого формула (1) примет вид:

. (2)

Такая форма записи закона Кулона общепринята в электротехнике и называется рационализированной. В векторной форме закон Кулона запишется:

. (3)

PhysBook:Электронный учебник физики — PhysBook

Содержание

• 1 Учебники
• 2 Механика
  • 2.1 Кинематика
  • 2.2 Динамика
  • 2.3 Законы сохранения
  • 2.4 Статика
  • 2. 5 Механические колебания и волны
• 3 Термодинамика и МКТ
  • 3.1 МКТ
  • 3.2 Термодинамика
• 4 Электродинамика
  • 4.1 Электростатика
  • 4.2 Электрический ток
  • 4.3 Магнетизм
  • 4.4 Электромагнитные колебания и волны
• 5 Оптика. СТО
  • 5.1 Геометрическая оптика
  • 5.2 Волновая оптика
  • 5.3 Фотометрия
  • 5.4 Квантовая оптика
  • 5.5 Излучение и спектры
  • 5.6 СТО
• 6 Атомная и ядерная
  • 6.1 Атомная физика. Квантовая теория
  • 6.2 Ядерная физика
• 7 Общие темы
• 8 Новые страницы

Здесь размещена информация по школьной физике:

1. материалы из учебников, лекций, рефератов, журналов;
2. разработки уроков, тем;
3. flash-анимации, фотографии, рисунки различных физических процессов;
4. ссылки на другие сайты

и многое другое.

Каждый зарегистрированный пользователь сайта имеет возможность выкладывать свои материалы (см. справку), обсуждать уже созданные.

Учебники

Формулы по физике – 7 класс – 8 класс – 9 класс – 10 класс – 11 класс –

Механика

Кинематика

Основные понятия кинематики – Прямолинейное движение – Криволинейное движение – Движение в пространстве

Динамика

Законы Ньютона – Силы в механике – Движение под действием нескольких сил

Законы сохранения

Закон сохранения импульса – Закон сохранения энергии

Статика

Статика твердых тел – Динамика твердых тел – Гидростатика – Гидродинамика

Механические колебания и волны

Механические колебания – Механические волны

---

Термодинамика и МКТ

МКТ

Основы МКТ – Газовые законы – МКТ идеального газа

Термодинамика

Первый закон термодинамики – Второй закон термодинамики – Жидкость-газ – Поверхностное натяжение – Твердые тела – Тепловое расширение

---

Электродинамика

Электростатика

Электрическое поле и его параметры – Электроемкость

Электрический ток

Постоянный электрический ток – Электрический ток в металлах – Электрический ток в жидкостях – Электрический ток в газах – Электрический ток в вакууме – Электрический ток в полупроводниках

Магнетизм

Магнитное поле – Электромагнитная индукция

Электромагнитные колебания и волны

Электромагнитные колебания – Производство и передача электроэнергии – Электромагнитные волны

---

Оптика.

СТО

Геометрическая оптика

Прямолинейное распространение света. Отражение света – Преломление света – Линзы

Волновая оптика

Свет как электромагнитная волна – Интерференция света – Дифракция света

Фотометрия

Фотометрия

Квантовая оптика

Квантовая оптика

Излучение и спектры

Излучение и спектры

СТО

СТО

---

Атомная и ядерная

Атомная физика. Квантовая теория

Строение атома – Квантовая теория – Излучение атома

Ядерная физика

Атомное ядро – Радиоактивность – Ядерные реакции – Элементарные частицы

---

Общие темы

Измерения – Методы решения – Развитие науки- Статья- Как писать введение в реферате- Подготовка к ЕГЭ — Репетитор по физике

Новые страницы

Запрос не дал результатов.

Определение, формула и размер |StudySmarter

Теперь давайте на секунду задумаемся о том, как и почему эта физическая концепция важна для нас, химиков. Что удерживает субатомные частицы атома вместе? Как образуются ионные химические связи? Это разные вопросы с одним и тем же ответом: электростатическое притяжение между противоположно заряженными частицами!

• Атомы состоят из положительно заряженных протонов, вокруг которых вращаются отрицательно заряженные электроны.
• Ионные связи состоят из положительно заряженных катионов и отрицательно заряженных ионов. Эти противоположные заряды притягиваются друг к другу! 9{2}}\] , но поскольку нас интересует энергия, связанная с ионными связями, мы можем использовать следующее уравнение \[ E={k}\frac{q_1 q_2}{r} \]

  Мы получаем из исходное уравнение силы к энергии путем взятия интеграла. Вам не обязательно знать, как применить это уравнение математически. Вы должны быть в состоянии концептуально использовать его, чтобы делать сравнения и защищать ответы об ионных связях и твердых телах!

  Давайте разделим эти разные переменные.

  E = энергия, необходимая для разрыва ионов (сила притяжения и силы отталкивания)

  Q ₁ и Q ₂ = заряд катиона и аниона относится к 9 00105 r

  3

  03 9 к расстоянию между ядрами двух ионов (длина связи)

  k = постоянная Кулона и не относится к химической стороне вещей

  Это уравнение является математическим выражением, которое поддерживает Закон Кулона . Теперь, когда мы знаем некоторые основные аспекты силы Кулона, мы можем переопределить Закон Кулона в соответствии с этим уравнением. Во-первых, что это уравнение говорит нам об ионных связях и заряженных частицах в целом?

  1. Он показывает пропорциональную зависимость между величиной зарядов и силой ионной связи
  2. Он показывает обратно пропорциональную зависимость между расстояние между ионами и сила ионной связи

  Закон Кулона объясняет, что два противоположно заряженных иона будут притягивать друг друга с силой, пропорциональной величине их зарядов и обратно пропорциональной расстоянию между ними.

  Величина кулоновской силы

  Так что же мы вычисляем, когда вычисляем величину силы или, в данном случае, величину энергии в ионной связи? Мы смотрим на силы взаимодействия между катионами и анионами.

  Исходя из того, что мы уже рассмотрели, это означает, что прочность ионной связи зависит от двух факторов:

  1. заряда ионов : по мере увеличения заряда ионы сильнее притягиваются друг к другу, что увеличивает ионную силу

  2. размер ионов: по мере увеличения размера межъядерное расстояние между ионами увеличивается что уменьшает ионная сила

  Чтобы проверить ваши знания, давайте попробуем применить их при сравнении силы двух ионных связей!

  Какая ионная связь прочнее, NaCl или KCl? Почему?

  • Сначала посмотрим на заряды каждого иона: Na = +1, Cl = -1 и K = +1, Cl = -1
    • Поскольку заряды одинаковы, должно быть расстояние между ионами что влияет на силу.
  • Давайте посмотрим на ионные радиусы Na и K: K дальше по периоду, поэтому мы знаем, что он больше, а Na меньше.
    • В соответствии с законом Кулона прочность ионной связи увеличивается по мере уменьшения размера иона. Таким образом, NaCl имеет более сильную энергию решетки и является более сильной ионной связью.

  Если вы хотите ознакомиться с Периодическими трендами, проверьте Периодические тренды, чтобы быть более уверенным в определении зарядов и радиусов различных ионов!

  Мы также можем использовать закон Кулона для оценки энергии решетки ионных соединений.

  Энергия решетки — это энергия, необходимая для разрушения ионного соединения и разделения противоположно заряженных ионов. Она называется энергией решетки, потому что ионные соединения существуют в структуре кристаллической решетки, и это энергия, необходимая для разделения этих решеток ионов на отдельные ионы.

  Ознакомьтесь со структурой ионных твердых тел, чтобы получить дополнительную информацию о кристаллических решетках и о том, как энергия решетки связана с различными свойствами ионных твердых тел!

  Давайте продолжим рассматривать различные приложения Закона Кулона в химии!

  Применение кулоновских сил

  Мы уже знаем, что одним из наиболее важных приложений кулоновских сил является сила взаимодействия ионных связей и энергии решетки, но кулоновские силы повсюду, так что стоит упомянуть еще пару приложений!

  1. Энергия решетки и растворимость

  • Энергия решетки напрямую влияет на растворимость ионного твердого вещества. Чем прочнее ионная связь, тем она менее растворима. Согласно закону Кулона, если для разрушения ионов требуется больше энергии, то ионы имеют высокий заряд и находятся близко друг к другу. Если ионам труднее отделиться, не имеет ли смысл то, что ионы с меньшей вероятностью будут присоединяться к молекулам воды?

  2. Энергия ионизации

  • Силы Кулона также применимы к энергии ионизации ионов.

  Энергия ионизации относится к энергии, необходимой для перемещения электрона из атома и превращения его в ион.

  Те же самые принципы расстояния и заряда применимы к элементам, за исключением отношений между отрицательно заряженными электронами и положительно заряженным ядром. Чем больше расстояние между ядром и валентными электронами и чем слабее заряд ядра, тем меньше энергии требуется для удаления электрона.

  Кулоновская сила отталкивания

  Возвращаясь к закону Кулона, он включает сил притяжения между противоположными зарядами и силами отталкивания между

  16 подобными зарядами 90. Возможно, силы притяжения между противоположно заряженными частицами очень важны и широко распространены в химии. Вот почему мы сосредоточили на них большую часть нашего времени. Однако силы отталкивания существуют в таких ситуациях, как электрон-электронное выталкивание, и даже внутри ядра между положительно заряженными протонами.

  Мы не будем слишком углубляться в механику ядра, но как только вы поймете закон Кулона, вы сможете заняться атомом. Какие субатомные частицы входят в состав ядра? Положительно заряженные протоны и нейтральные нейтроны. Как это возможно, если одинаковые заряды отталкиваются друг от друга… разве атом не должен держаться вместе? Это еще одна сила, которая удерживает протоны и нейтроны вместе, называемая ядерной силой. Протоны испытывают электрическое отталкивание, но ядерная сила подавляет их. Наука не перестает удивлять!

  Теперь вы должны быть знакомы с законом Кулона и с тем, как мы можем использовать его для понимания ионных связей и силы. Дополнительные примеры применения кулоновской силы к ионным связям см. на карточках!

  Сила Кулона — основные выводы

  • Закон Кулона объясняет электростатическое притяжение между отрицательно заряженными и положительно заряженными ионами в ионной связи.
  • Энергия решетки относится к энергии, необходимой для отделения ионов от их структуры решетки. Он измеряет прочность ионных связей.
    • По мере увеличения зарядов ионов и радиусы ионов уменьшаются, увеличивается энергия решетки
  • ионные радиусы ионов.

  5 способов сделать закон Кулона более доступной темой для студентов

  Введение: закон Кулона

  Электростатика — это раздел физики, который занимается изучением электрических зарядов в состоянии покоя. В физике заряд известен как электрический заряд. Это свойство материи испытывать силу, когда она помещена в электромагнитное поле. Заряд имеет два типа: положительный заряд и отрицательный заряд. Оба типа имеют одинаковое количество зарядов, но состоят из противоположных знаков.

  Атом имеет положительный заряд, если в нем больше протонов, чем электронов. Точно так же, когда атом содержит больше электронов, чем протонов, он имеет отрицательный заряд.

  Закон обратных квадратов утверждает, что физическая величина уменьшается обратно пропорционально квадрату расстояния от источника. Примером закона обратных квадратов является закон Кулона.

  Закон Кулона гласит, что величина электростатической силы притяжения или отталкивания прямо пропорциональна произведению величин зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между двумя зарядами.

                                                             F = k. (Q1) . (Q2) / r2

  В приведенном выше уравнении F — сила притяжения и отталкивания между двумя заряженными телами, (Q1) и (Q2) — электрические заряды, k — константа пропорциональности, r — расстояние между два зарядных тела.

  Иногда при изучении закона Кулона учащиеся могут столкнуться с трудностями. В Labster мы собрали все причины, затрудняющие понимание этой темы. Мы также объясним пять методов, которые помогут учащимся упростить эту тему. В конце мы убедим вас, почему виртуальная лабораторная симуляция важна как для учащихся, так и для учителей, чтобы донести тему закона Кулона в классе.

  Рисунок: Изображение показывает взаимодействие зарядов между положительным и отрицательным зарядом из виртуальной лаборатории Лабстера Закон Кулона .

  Почему изучение закона Кулона может быть сложным

  Закон Кулона является сложной темой даже для трудолюбивых студентов по трем основным причинам.

  1. Это кажется абстрактным

  В законе Кулона используется множество абстрактных понятий. Это заряды, электростатическая сила, электроны и протоны, которые учащиеся не могут увидеть невооруженным глазом. Студентам трудно поверить в абстрактные понятия. Изучая эту тему, они не могут представить структуру электрических зарядов, что затрудняет изучение этой темы.

  2. Слишком много содержания

  Некоторые учащиеся могут испытывать трудности при изучении закона Кулона, потому что оно слишком много. Тема состоит из основного закона, электростатических сил, примеров, формул и ограничений, которые учащимся может быть трудно запомнить. Так, студенты могут потерять интерес к чтению закона Кулона из-за сложности темы.

  3. Решение числовых задач и графическое представление

  Согласно закону Кулона, вы должны решать различные числовые задачи, используя формулу. Также важно знать о графическом представлении электростатической силы притяжения и отталкивания между зарядами. Учащимся может показаться запутанным и скучным решать числовые задачи и строить графики, представляющие закон Кулона.

  5 способов сделать закон Кулона более доступной темой для понимания

  Мы знакомы с трудностями, с которыми сталкиваются студенты при изучении закона Кулона. Итак, есть пять методов, которые делают эту тему более простой и интересной для понимания.

  1. Расскажите о людях, стоящих за наукой

  Шарль Огюстен де Кулон:

  Шарль Огюстен де Кулон был французским физиком, который дал математическое объяснение двух электрически заряженных тел. Он был первым, кто изучал электростатику. В 1785 году он ввел уравнение, показывающее силу, заставляющую два тела притягивать или отталкивать друг друга. Он известен как закон обратных квадратов Кулона или закон Кулона. Он представил три доклада, связанных с электричеством, и описал законы притяжения и отталкивания между зарядами и телами. Он разработал устройство, получившее название «торсионные весы». Это помогло измерить заряды и оценить силу притяжения и отталкивания между зарядами.

  2. Основная концепция и свойства закона Кулона

  Учащиеся должны изучить интересные факты и свойства закона Кулона. Электростатическая сила выражается через единицу Ньютон. Электростатическая сила — это векторная величина, которая имеет как величину, так и направление. Направление электростатической силы зависит от заряда частиц, одинаковых они или противоположных. Необходимо знать, что электростатическая сила непостоянна. Электростатическая сила является основной причиной, объясняющей расстояние между зарядами.

  Закон Кулона представляет точную информацию о силе, существующей между двумя телами. Первый закон Кулона гласит, что два тела с одинаковыми зарядами отталкиваются, а два тела с разными зарядами притягиваются. Второй закон Кулона гласит, что сила притяжения или отталкивания между двумя объектами прямо пропорциональна величине между объектами и обратно пропорциональна квадрату расстояния между двумя объектами.

  В законе Кулона появилась новая константа, известная как диэлектрическая проницаемость свободного пространства. Ее также называют диэлектрической проницаемостью вакуума.

  Рисунок: Изображение, объясняющее закон Кулона из теории Лабстера

  Кулон объясняет свойства электрической силы заряда в состоянии покоя. Это следующие:

  1. Два тела с одинаковыми зарядами отталкиваются, а два тела с противоположными зарядами притягиваются. Это означает, что два отрицательных заряда отталкиваются друг от друга, а положительный заряд притягивает отрицательный.

  2. Сила между двумя зарядами либо притягивает, либо отталкивает.

  3. Сила обратно пропорциональна расстоянию между зарядами. Если расстояние между зарядами увеличивается, электростатическая сила между зарядами ослабевает.

  4. Величина силы пропорциональна величине обоих зарядов. Единица Кулон (Кл) используется для измерения электростатического заряда.

  Ограничения закона Кулона: Закон Кулона имеет четыре основных ограничения. Студенты должны знать ограничения закона Кулона, которые помогут им правильно понять тему.

  • Если молекулы растворителя между двумя заряженными объектами больше, применим закон Кулона.

  • Закон Кулона справедлив, только если заряженные объекты находятся в состоянии покоя.

  • Другое ограничение закона Кулона состоит в том, что он неприменим, если заряды имеют произвольную форму. Причина в том, что мы не можем определить расстояние между двумя зарядами, когда они имеют произвольную форму.

  • Закон Кулона действителен, если дело следует закону обратных квадратов.

  3. Связь с реальным миром

  Учащиеся находят закон Кулона более интересным, когда изучают реальные примеры, связанные с темой. Они могут провести эти эксперименты в классе, чтобы убедиться, что закон Кулона действительно применим в повседневной жизни.

  1. Когда стеклянный стержень протирают шелковой тканью или куском шерсти, он заряжается. Заряженный стержень может притягивать или отталкивать другие объекты. Заряженный стеклянный стержень может притягивать к себе бумагу с положительным зарядом. Это связано с законом Кулона.

  2. Другой пример закона Кулона — расческа и маленькие кусочки бумаги. Когда расческа трется о волосы, она заряжается. Эта заряженная расческа может притягивать маленькие кусочки бумаги с противоположными зарядами.

  3. Смешивание веществ в воде также подчиняется закону Кулона. Например, хлорид натрия (NaCl) — полярное вещество, которое притягивает воду и растворяется в ней. Масло является неполярным веществом, поэтому не растворяется в воде. Электростатическое взаимодействие также существовало между растворенным веществом и растворителем.

  4. Алюминиевые пластины и пенополистирол также соответствуют закону Кулона. Когда пенопласт натирают шерстяным носком, он заряжается отрицательно. Когда алюминиевая пластина приближается к пенополистиролу, между ними возникает электрическое взаимодействие притяжения. Вы можете видеть, как искра касается алюминиевой пластины.

  4. Увидеть значит поверить

  Учащимся понравится изучать закон Кулона, когда они увидят цветные диаграммы. Разнообразные цвета облегчают различение зарядов и силы взаимодействия между объектами.

  Цветное изображение, используемое ниже, представляет взаимодействие зарядов между объектами. Студенты лучше поймут взаимодействие зарядов, увидев это виртуальное изображение. Например, два положительных заряда всегда отталкиваются, а объект с положительным и отрицательным зарядом всегда притягивается. Если учащиеся увидят цветовую диаграмму, объясняющую эту концепцию, им будет лучше ее понять.

  5. Использование виртуальной лабораторной симуляции

  Виртуальная лабораторная симуляция — это передовой способ обучения учащихся таким сложным темам, как закон Кулона. В Labster мы предоставляем лабораторную 3D-симуляцию с элементами геймификации, такими как рассказывание историй и система подсчета очков. Это повышает интерес учащихся к теме и проясняет их представления.

  Лабстер Моделирование закона Кулона объясняет основной закон, электростатические силы, закон обратных квадратов, метод сбора данных, величину и направление силы, а также графическое представление.