Interacción de cuerpos cargados. Ley de Coulomb. Ley de conservación de la carga eléctrica. Física atómica y nuclear.

28.10.2021

Carga eléctrica

Carga eléctrica es una cantidad física que caracteriza la interacción electromagnética. Un cuerpo está cargado negativamente si tiene un exceso de electrones y cargado positivamente si tiene un déficit.

Enumeremos las propiedades de las cargas.

1. Existen dos tipos de cargos; negativo y positivo. Las cargas similares se atraen, las cargas similares se repelen. El portador de lo elemental, es decir. La carga negativa más pequeña es el electrón, cuya carga es q e = -1,6 * 10 -19 C, y la masa m e = 9,1 * 10 -31 kg. El portador de una carga positiva elemental es el protón q p =+1,6*10 -19 C, masa m p =1,67*10 -27 kg.

2. La carga eléctrica tiene una naturaleza discreta. Esto significa que la carga de cualquier cuerpo es múltiplo de la carga del electrón q=Nq e, donde N es un número entero. Sin embargo, por regla general, no notamos la discreción de la carga, ya que la carga elemental es muy pequeña.

3. En un sistema aislado, es decir. en un sistema cuyos cuerpos no intercambian cargas con cuerpos externos a él, la suma algebraica de cargas se conserva (la ley de conservación de la carga).

4. El. La carga siempre puede transferirse de un cuerpo a otro.

5. Unidad de carga SI - colgante(Cl). Por definición, 1 culombio es igual a la carga que fluye a través de la sección transversal de un conductor en 1 s con una corriente de 1 A.

6. Ley de conservación de cargas: en un sistema cerrado, la suma algebraica de cargas no cambia. Este hecho establecido experimentalmente se llama ley de conservación de la carga eléctrica. En ningún lugar y nunca en la naturaleza aparece o desaparece una carga de un signo. La aparición de cada carga positiva siempre va acompañada de la aparición de una carga negativa igual en valor absoluto. Ni una carga positiva ni una negativa pueden desaparecer por separado; sólo pueden neutralizarse mutuamente si son iguales en valor absoluto.

Interacción de cargas. Ley de Coulomb.

Interacción de cuerpos cargados.

La electrostática estudia las propiedades e interacciones de cuerpos o partículas cargados eléctricamente y estacionarios en un sistema de referencia inercial.

El fenómeno más simple en el que se revela el hecho de la existencia e interacción de cargas eléctricas es la electrificación de los cuerpos al entrar en contacto. Tome dos tiras de papel y páselas varias veces con un bolígrafo de plástico. Si toma un bolígrafo y una tira de papel y comienza a acercarlos, la tira de papel comenzará a doblarse hacia el bolígrafo, es decir, surgirán fuerzas de atracción entre ellos. Si tomas dos tiras y comienzas a juntarlas, las tiras comenzarán a doblarse hacia adentro. lados diferentes, es decir, surgen fuerzas repulsivas entre ellos.

La interacción de los cuerpos descubiertos en este experimento se llama electromagnético. La cantidad física que determina la interacción electromagnética se llama carga eléctrica.

La capacidad de las cargas eléctricas para atraerse y rechazarse mutuamente se explica por la existencia de dos tipos de cargas: positivas y negativas.

Es obvio que al entrar en contacto con un bolígrafo de plástico, aparecen cargas eléctricas del mismo signo en dos tiras de papel idénticas. Estas tiras se repelen y, por tanto, las cargas del mismo signo se repelen. Existen fuerzas de atracción entre cargas de distinto signo.

ley de Coulomb

Las cargas distribuidas sobre cuerpos cuyas dimensiones son significativamente menores que las distancias entre ellos se pueden llamar punto, ya que en este caso ni la forma ni el tamaño de los cuerpos influyen significativamente en las interacciones entre ellos.

La interacción de cargas eléctricas estacionarias se llama electrostático o Culombio interacción. Las fuerzas de interacción electrostática dependen de la forma y el tamaño de los cuerpos que interactúan y de la naturaleza de la distribución de carga sobre ellos.

La fuerza de interacción entre dos cuerpos cargados estacionarios puntuales en el vacío es directamente proporcional al producto de los valores absolutos de las cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia entre ellos:

Si los cuerpos están en un medio con constante dieléctrica, entonces la fuerza de interacción se verá debilitada por un factor

Las fuerzas de interacción entre dos cuerpos fijos puntuales se dirigen a lo largo de la línea recta que conecta estos cuerpos.

Se acepta la unidad de carga eléctrica en el sistema internacional. colgante. 1 C es una carga que atraviesa la sección transversal de un conductor en 1 s con una corriente de 1 A.

El coeficiente de proporcionalidad en la expresión de la ley de Coulomb en el sistema SI es igual a

En cambio, un coeficiente llamado constante electrica

Usando la constante eléctrica, la ley de Coulomb es

Si hay un sistema de cargas puntuales, entonces la fuerza que actúa sobre cada una de ellas se define como la suma vectorial de las fuerzas que actúan sobre una carga determinada de todas las demás cargas del sistema. En este caso, la fuerza de interacción de una carga determinada con una carga específica se calcula como si no hubiera otras cargas ( principio de superproposición).

Campo eléctrico. (definición, tensión, potencial, patrón de campo eléctrico)

Campo eléctrico

La interacción de las cargas eléctricas se explica por el hecho de que alrededor de cada carga hay campo eléctrico . El campo eléctrico de una carga es un objeto material, es continuo en el espacio y es capaz de actuar sobre otras cargas eléctricas. El campo eléctrico de cargas estacionarias se llama electrostático. El campo electrostático es creado únicamente por cargas eléctricas, existe en el espacio que rodea estas cargas y está indisolublemente ligado a ellas.

El campo eléctrico de una carga es un objeto material, es continuo en el espacio y es capaz de actuar sobre otras cargas eléctricas. Si acerca una varilla cargada a cierta distancia al electroscopio sin tocar su eje, la aguja aún se arqueará. Ésta es la acción del campo eléctrico.

Los experimentos del físico francés C. Dufay demostraron que los cuerpos con cargas de signo opuesto (idéntico) se atraen (repelen) mutuamente. En este caso, la fuerza de interacción entre cuerpos electrificados depende de forma compleja de la forma de los cuerpos electrificados y de la naturaleza de la distribución de carga sobre ellos. Por lo tanto, no existe una fórmula única y sencilla que describa la interacción electrostática para un caso arbitrario.

Pero sólo para cargos por puntos la ley de interacción está escrita en una forma bastante simple.

La ley de interacción de cargas eléctricas puntuales fue descubierta en 1785 por C. Coulomb utilizando balanzas de torsión. La balanza de torsión (Fig. 1) consta de dos bolas idénticas A y C; la bola A está montada en un balancín conectado a un contrapeso B y una rosca L, cuyo extremo superior está montado en un cabezal de torsión T. La bola C del dispositivo está montada en una varilla aislada y se inserta en el dispositivo. Las bolas A y C se ponen en contacto y, como son idénticas, la carga de la bola C se distribuye equitativamente entre ellas. Las bolas se repelen. El ángulo de torsión del hilo determina la fuerza de interacción entre las bolas cargadas. La distancia r entre las bolas se mide usando una escala marcada en la superficie lateral del cilindro. Cambiando r y q, C. Coulomb encontró que

o, en forma vectorial,

Vector unitario. Las fuerzas de interacción entre dos bolas cargadas de manera similar se muestran en la Figura 2.

La fuerza de interacción entre dos cargas eléctricas puntuales estacionarias en el vacío es directamente proporcional al producto de los valores de las cargas, inversamente proporcional al cuadrado de la distancia entre ellas y dirigida a lo largo de la línea recta que conecta estas cargas.

La ley de Coulomb también es válida para bolas cargadas a cualquier distancia entre sus centros, si el volumen o la densidad de carga superficial de cada una de ellas es constante. (Tenga en cuenta que, a diferencia de la interacción gravitacional, la interacción electrostática puede provocar atracción y repulsión de cuerpos).

Coeficiente de proporcionalidad k = 9·10 9 N·m 2 /Cl 2. A menudo, en lugar de k, se utiliza otra constante, llamada constante eléctrica

La intensidad de la interacción electromagnética está determinada. cantidad física - carga eléctrica, que es designado . La unidad de carga eléctrica es el culombio (C). 1 culombio es una carga eléctrica que, al pasar por la sección transversal de un conductor en 1 s, crea en él una corriente de 1 A. La capacidad de las cargas eléctricas para atraerse y repelerse mutuamente se explica por la existencia de dos tipos de cargas. . Un tipo de carga se llama positiva; el portador de una carga positiva elemental es el protón. Otro tipo de carga se llama negativa, su portador es un electrón. La carga elemental es .

La carga de una partícula siempre está representada por un número que es múltiplo de la carga elemental.

La carga total de un sistema cerrado (en el que no entran cargas del exterior), es decir, la suma algebraica de las cargas de todos los cuerpos, permanece constante: . La carga eléctrica no se crea ni se destruye, sólo se transfiere de un cuerpo a otro. Este hecho establecido experimentalmente se llama ley de conservación de la carga eléctrica. Nunca ni en ningún lugar de la naturaleza surge o desaparece una carga eléctrica del mismo signo. La aparición y desaparición de cargas eléctricas en los cuerpos se explica en la mayoría de los casos por las transiciones de partículas elementales cargadas (electrones) de un cuerpo a otro.

Electrificación- este es un mensaje al cuerpo de una carga eléctrica. La electrificación puede ocurrir, por ejemplo, por contacto (fricción) de sustancias diferentes y durante la irradiación. Cuando se electrifica, hay un exceso o deficiencia de electrones en el cuerpo.

Si hay un exceso de electrones, el cuerpo adquiere carga negativa, y si hay deficiencia, adquiere carga positiva.

La electrostática estudia las leyes de interacción de cargas eléctricas estacionarias.

La ley básica de la electrostática fue establecida experimentalmente por el físico francés Charles Coulomb y dice lo siguiente: el módulo de fuerza de interacción entre dos cargas eléctricas puntuales fijas en el vacío es directamente proporcional al producto de las magnitudes de estas cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia entre ellos:

Donde y son los módulos de carga, es la distancia entre ellos, es el coeficiente de proporcionalidad, que depende de la elección del sistema de unidades, en SI.

El valor que muestra cuántas veces la fuerza de interacción de las cargas en el vacío es mayor que en un medio se llama constante dieléctrica del medio. Para un medio con constante dieléctrica, la ley de Coulomb se escribe de la siguiente manera:

En SI, el coeficiente suele escribirse de la siguiente manera: , donde es la constante eléctrica. Es numéricamente igual.

Usando la constante eléctrica, la ley de Coulomb es:

La interacción de cargas eléctricas estacionarias se llama electrostático o Interacción de Coulomb. Las fuerzas de Coulomb se pueden representar gráficamente (Fig. 14, 15).

La fuerza de Coulomb se dirige a lo largo de la línea recta que conecta los cuerpos cargados. Es la fuerza de atracción cuando diferentes signos cargas y fuerza repulsiva con signos idénticos de cargas.

Errores comunes

1. Al revelar el significado físico del concepto de intensidad de campo eléctrico, los solicitantes señalan correctamente que la acción de fuerza del campo se puede detectar utilizando una carga introducida en este campo (carga de prueba), pero no todos pueden explicar por qué la carga de fuerza debe ser pequeña. suficiente.

El hecho es que una gran carga de prueba puede provocar cambios en el campo en estudio. Por ejemplo, si las cargas que crean el campo en estudio se encuentran en el conductor. Puede suceder que bajo la influencia del campo eléctrico de la carga de prueba, las cargas del conductor se muevan, lo que provocará un cambio en su campo.

2. Los solicitantes tienen dificultades para distinguir la fórmula que es la definición de intensidad de campo:

y una fórmula que establece la relación entre la tensión y otras cantidades. Por ejemplo, dan la siguiente definición: la tensión es la cantidad

. (2)

Pero la fórmula (2) no es decisiva: a partir de ella se calcula la intensidad de una carga puntual. La fórmula definitoria es (1), según la cual se da la siguiente definición: intensidad del campo eléctrico es una cantidad física vectorial que caracteriza la acción de la fuerza del campo eléctrico sobre las cargas eléctricas introducidas en él, igual a la proporción la fuerza con la que actúa el campo sobre una carga puntual positiva colocada en un punto dado, a esa carga.

3. A algunos examinados les resulta difícil responder a la pregunta de por qué la fuerza de interacción entre cargas en un dieléctrico (por ejemplo, en agua) es menor que en el vacío.

Respondiendo a esta pregunta, es necesario aclarar que debido a la polarización del dieléctrico, surge en él un campo eléctrico de cargas ligadas, cuya intensidad se dirige opuesta a la intensidad del campo externo, por lo tanto, en el dieléctrico, el campo eléctrico La fuerza disminuye en un factor de donde está la constante dieléctrica del medio. En consecuencia, la fuerza de interacción entre cargas puntuales en un dieléctrico homogéneo disminuye en un factor (en agua, por ejemplo, 81 veces).

Las leyes de interacción de átomos y moléculas pueden entenderse y explicarse basándose en el conocimiento de la estructura del átomo, utilizando un modelo planetario de su estructura. En el centro del átomo hay un núcleo cargado positivamente, alrededor del cual giran partículas cargadas negativamente en determinadas órbitas. La interacción entre partículas cargadas se llama electromagnética. La intensidad de la interacción electromagnética está determinada por una cantidad física: la carga eléctrica, que se denota q. La unidad de carga eléctrica es el culombio (C). 1 culombio es una carga eléctrica que, al pasar por la sección transversal de un conductor en 1 s, crea en él una corriente de 1 A. La capacidad de las cargas eléctricas para atraerse y repelerse mutuamente se explica por la existencia de dos tipos de cargas. . Un tipo de carga se llama positiva; el portador de una carga positiva elemental es el protón. Otro tipo de carga se llama negativa, su portador es un electrón. La carga elemental es La carga de las partículas siempre está representada por un número que es múltiplo de la carga elemental.

La carga total de un sistema cerrado (que no incluye cargas externas), es decir, la suma algebraica de las cargas de todos los cuerpos, permanece constante: q1 + q2 + ... + qn = const. La carga eléctrica no se crea ni se destruye, sólo se transfiere de un cuerpo a otro. Este hecho establecido experimentalmente se llama ley de conservación de la carga eléctrica. Nunca ni en ningún lugar de la naturaleza surge o desaparece una carga eléctrica del mismo signo. La aparición y desaparición de cargas eléctricas en los cuerpos se explica en la mayoría de los casos por las transiciones de partículas elementales cargadas (electrones) de un cuerpo a otro.

La electrificación es la comunicación de una carga eléctrica al cuerpo. La electrificación puede ocurrir, por ejemplo, por contacto (fricción) de sustancias diferentes y durante la irradiación. Cuando se produce la electrificación en el cuerpo, se produce un exceso o deficiencia de electrones.

Si hay un exceso de electrones, el cuerpo adquiere carga negativa, y si hay deficiencia, adquiere carga positiva.

La electrostática estudia las leyes de interacción de cargas eléctricas estacionarias.

G es la distancia entre ellos, k es el coeficiente de proporcionalidad, según la elección del sistema de unidades, en SI

La cantidad que muestra cuántas veces la fuerza de interacción de las cargas en el vacío es mayor que en un medio se llama constante dieléctrica del medio E. Para un medio con una constante dieléctrica e, la ley de Coulomb se escribe de la siguiente manera:

En SI, el coeficiente k suele escribirse de la siguiente manera:

Constante eléctrica, numéricamente igual.

Usando la constante eléctrica, la ley de Coulomb toma la forma:

La interacción de cargas eléctricas estacionarias se llama interacción electrostática o de Coulomb. Las fuerzas de Coulomb se pueden representar gráficamente (Fig. 20, 21).

1. Interacción de cuerpos cargados. Ley de Coulomb. Ley de conservación de la carga eléctrica.

Si hay un exceso de electrones, el cuerpo adquiere carga negativa, y si hay deficiencia, adquiere carga positiva.

La electrostática estudia las leyes de interacción de cargas eléctricas estacionarias.

G es la distancia entre ellos, k es el coeficiente de proporcionalidad, según la elección del sistema de unidades, en SI

En SI, el coeficiente k suele escribirse de la siguiente manera:

Constante eléctrica, numéricamente igual.

Usando la constante eléctrica, la ley de Coulomb toma la forma:

La interacción de cargas eléctricas estacionarias se llama interacción electrostática o de Coulomb. Las fuerzas de Coulomb se pueden representar gráficamente (Fig. 20, 21).