Закон Кулона и электрический заряд

Слайд 1. Закон Кулона и электрический заряд

Основы электростатики: как взаимодействуют невидимые силы

Слайд 2. Природа электрического взаимодействия

Слайд 3. Что такое электрический заряд?

Электрический заряд — это физическая величина, определяющая способность тел вступать в электромагнитные взаимодействия.

В природе существуют заряды двух типов: положительные («+») и отрицательные («-»). Главное правило простое: одноименные заряды отталкиваются, а разноименные — притягиваются.

Слайд 4. Взаимодействие точечных зарядов

Точечный заряд — это идеализированная модель тела, размерами которого можно пренебречь по сравнению с расстоянием до других тел.

На схеме показаны:

$q_1,q_2$ — величины зарядов

$r$ — расстояние между ними

${\vec{F}}_{12},{\vec{F}}_{21}$ — силы взаимодействия

Слайд 5. Открытие Шарля Кулона

В 1785 году французский физик Шарль Кулон с помощью крутильных весов экспериментально установил закон взаимодействия зарядов. Он измерял ничтожно малые силы, возникающие между металлическими шариками, и заметил четкую математическую закономерность: сила зависит от величины заряда и расстояния. Это стало фундаментом всей классической электродинамики.

Слайд 6. Формулировка закона Кулона

Сила взаимодействия двух неподвижных точечных зарядов в вакууме:

Прямо пропорциональна произведению модулей этих зарядов: $F\sim |q_1|\cdot |q_2|$

Обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними: $F\sim \frac{1}{r^2}$

Направлена вдоль прямой, соединяющей эти заряды

Математическая запись: $F=k\frac{|q_1|\cdot |q_2|}{r^2}$

Слайд 7. График зависимости силы от расстояния

Слайд 8. Сравнение: Электричество vs Гравитация

Действует между зарядами.

Может быть притяжением и отталкиванием.

Сила очень велика даже для малых зарядов.

Зависит от среды.

Действует между массами.

Только притяжение.

Сила заметна только для огромных масс (планет).

Не зависит от среды.

Слайд 9. Единица заряда — Кулон

В системе СИ основной единицей заряда является Кулон ($1$ Кл). Это очень большой заряд: два заряда по $1$ Кл на расстоянии $1$ км будут отталкиваться с силой около $9000$ Ньютонов!

Существует минимальный, неделимый заряд — элементарный ($e$). Любой заряд тела кратен ему: $q=n\cdot e$.

Слайд 10. Важные физические константы

Слайд 11. Расчет силы взаимодействия

На графике показано изменение силы (в условных единицах) при увеличении расстояния для двух фиксированных зарядов. Мы видим стремительное падение силы, характерное для гиперболической зависимости второго порядка.

Слайд 12. Где работает закон Кулона?

Работа лазерных принтеров и ксероксов основана на притяжении частиц тонера к заряженному барабану.

Электростатические фильтры на заводах улавливают пыль и сажу из дыма, очищая воздух.

Покраска автомобилей: заряженные капли краски ровным слоем ложатся на деталь с противоположным зарядом.

Удержание электронов вокруг ядра в атоме происходит именно благодаря кулоновским силам.

Слайд 13. Вопросы для обсуждения

1. Как изменится сила взаимодействия, если расстояние между зарядами уменьшить в 3 раза?

2. Почему закон Кулона применим только для неподвижных зарядов?

3. Что произойдет с силой, если заряды поместить из вакуума в воду?

4. Существует ли в природе заряд, равный $2,4\cdot 10^{-19}$ Кл? Почему?

Слайд 14. Главные выводы урока

Закон Кулона — основной закон электростатики для точечных неподвижных зарядов.

Сила взаимодействия зависит от величины зарядов ($F\sim q_1{q}_2$) и расстояния ($F\sim 1/r^2$).

Заряд любого тела дискретен и кратен элементарному заряду $e$.

Коэффициент $k$ в законе Кулона численно равен силе взаимодействия двух зарядов по $1$ Кл на расстоянии $1$ м в вакууме.