Фейнмановские лекции по физике. Т.5. Электричество и магнетизм

Фейнмановские лекции по физике. Т.5. Электричество и магнетизм

7 исчерпывающих примеров электрической силы

       Компания электрическая сила есть взаимодействие между любыми двумя заряженными телами. Это причина того или иного явления, происходящего во всем мире.

Электрический заряд испытывает электрическую энергию, которая это толчок или тяга. В этой статье мы увидим несколько примеров электрическая сила чтобы лучше понять концепцию.

Электрическая цепь

               В электрической цепи поток зарядов проводит электрический ток, и сила, существующая между этими зарядами, известна как сила электричества.

               Универсально, что электрическая сила — это форма бесконтактной силы. Электрическое изменение — это не что иное, как движение заряда в теле. В основном есть два типа электрических зарядов: положительный и отрицательный соответственно.

                 В электрической цепи присутствует электрический ток, и этот электрический ток представляет собой поток этих зарядов в их соответствующих направлениях в зависимости от величины зарядов.

                 Как мы знаем, одинаковые заряды отталкиваются, а в отличие от зарядов притягиваются, два положительных или отрицательных заряда отталкиваются, один положительный или отрицательный и один отрицательный или положительный заряд притягиваются.

Заряд в лампочке

В лампочке ток всегда течет от высокого потенциала к низкому. Высокий потенциал — это положительный вывод, а низкий потенциал — отрицательный.

                  Согласно Закону сохранения энергии, энергия не разрушается и не создается, но может быть преобразована из одной формы в другую. Электрическая лампочка — один из таких объектов, которые работают по этому закону.

                  В электрической лампочке электрическая энергия преобразуется в энергию света. Во время проведения зарядов возникает сила. Два вывода лампы подключены к вольфрамовой нити.

                Когда между клеммами пропускается электрический ток, тонкая вольфрамовая нить накаливания нагревается электронами, которые текут таким образом, что колба начинает светиться. Этот процесс происходит очень быстро.

                Газ аргон, присутствующий внутри колбы, предотвращает разрыв тонкой нити накала и перегрев. Заряды в лампочке движутся таким образом, что создает в них электрическую силу.

Электрические заряды, присутствующие в лампочке, перемещаются так, чтобы проводить электрический ток, а также электрическую силу.«Лампочка HDRI — исходное изображение 6» by Д Кутзи отмечен CC0 1.0

Стоячие волосы

Обычное явление стоячих волос происходит из-за электростатической силы. Стоячие волосы — это обычно эксперимент, чтобы доказать наличие электрической силы, вызванной электрическим током. Этот эксперимент был проведен генератором Ван де Граффа.  

                Генератор Ван де Граффа начинает работать статическое электричество высокого напряжения путем передачи зарядов с помощью конвейерной ленты, которая является синтетической, и это происходит непрерывно. Эти заряды переносятся, а затем накапливаются в полой металлической сфере. Положительные заряды при передаче отталкиваются друг от друга, заставляя волосы встать дыбом.

«Сумасшедшие волосы от статического электричества Итана» by Публичная библиотека Сан-Хосе под лицензией CC BY-SA 2.0

молниеносный

            Молния возникает во время мощного электрического заряд-разряд. Грозы вызываются небольшими электрически заряженными частицами, когда молекулы воды нагреваются и охлаждаются, двигаясь вверх и вниз друг против друга.

             В облаках происходит процесс, в котором заряды состоят из двух отдельных частей и соответственно выстраиваются друг с другом, причем одна часть будет отрицательной, а другая — положительной. Таким образом, на основе этого разделения частицы на земле располагаются противоположно нижней части земли.

              Дисбаланс возникает, когда происходит такой процесс, когда между зарядами проходит электрический ток, и они движутся в направлении меньшего числа частиц с одинаковым зарядом. Этот самый случай приводит к удару молнии. Эта молния иногда несет положительный или отрицательный заряд.

              Вначале молния становится невидимой, но когда электрический разряд настолько силен, возникает дуга молнии, которая затем становится видимой. Молния иногда бывает другого цвета, и это связано с атмосферной влажностью, температурой и загрязнением воздуха.

                Поскольку молния очень мощная, есть несколько способов извлечь из нее электричество. Но это только теоретические идеи, и для проведения этого эксперимента требуется массивное оборудование.»Молния» by натан_лаундс отмечен СС ДПМ 1.0

Текущее электричество

              Всякий раз, когда есть электрический ток, возникает электрическое поле, которое затем следует за электрической силой.

               В проводящем проводе возникает электрический ток из-за наличия электрического поля, и это электрическое поле заставляет электроны двигаться.

               Различные заряды притягиваются друг к другу, и сила, существующая между заряженными телами, известна как электрическая сила. Взаимодействие между электрически заряженными зарядами называется электрическим током. Направление силы, действующей на положительный испытательный заряд, влияет на направление электрического поля.

                Поток заряженных частиц в любом проводящем теле производит электрический ток при наличии высокого напряжения. Электрическая сила — это не что иное, как сила, существующая между заряженными телами.

Стеклянный стержень и шелк

В этом эксперименте стеклянный стержень натирают тканью; заряженные частицы переносятся с ткани на стеклянный стержень.

                  Просто когда стекло подносят к другому, оно не двигается. Когда натертое стекло снова приносят, другой стержень отклоняется в направлении заряженных частиц.

                   Например, когда стекло заряжено положительно, а другое стекло имеет заряд той же полярности, они отталкиваются, но притягиваются друг к другу, если у них разные заряды. Это происходит из-за действующей электрической силы.

Воздушные шары и вырезки из бумаги

                  Если взять два шарика и поднести их к вырезам из бумаги, это не принесет никакой разницы или какого-либо эффекта. Теперь, когда шары трутся друг о друга, заряды переносятся друг на друга. Основная причина такого явления в том, что между заряженными телами существует сила.

                 Когда воздушные шары трутся друг о друга, электроны переносятся с одного воздушного шара на другой, теперь заряды расположены одинаково, но также возникает дисбаланс.

                  Поскольку воздушные шары заряжаются и подносятся к бумажному вырезу, он медленно наклеивает воздушный шар. Электрическая сила — одна из основных причин, по которым этот эксперимент должен быть доказан.

********************************

Законы Ньютона и электрическая сила

Взаимодействие притяжения или отталкивания между любыми двумя заряженными объектами представляет собой электрическую силу . Как и всякая сила, ее действие на объекты описывается законами движения Ньютона. Электрическая сила — F _Elect — присоединяется к длинному списку других сил, которые могут воздействовать на объекты. Законы Ньютона применяются для анализа движения (или отсутствия движения) объектов под действием такой силы или комбинации сил. Анализ обычно начинается с построения диаграммы свободного тела, на которой тип и направление отдельных сил представлены векторными стрелками и помечены в соответствии с типом. Затем величины сил складываются в виде векторов, чтобы определить результирующую сумму, также известную как результирующая сила. Затем результирующую силу можно использовать для определения ускорения объекта.

В некоторых случаях целью анализа не является определение ускорения объекта. Вместо этого диаграмма свободного тела используется для определения пространственного разделения или заряда двух объектов, находящихся в статическом равновесии. В этом случае диаграмма свободного тела сочетается с пониманием векторных принципов, чтобы определить некую неизвестную величину посреди головоломки, включающей геометрию, тригонометрию и закон Кулона. В этом последнем разделе Урока 3 мы исследуем оба типа применения законов Ньютона к явлению статического электричества.

Электрическая сила и ускорение

Предположим, что резиновый воздушный шар и пластиковая трубка для гольфа заряжаются отрицательно, если их натереть шерстью животного. Предположим, что воздушный шар подброшен в воздух, а трубка для гольфа удерживается под ним, чтобы поднять воздушный шар в воздухе. Эта цель может быть достигнута, когда пространственное разделение между заряженными объектами отрегулировано таким образом, чтобы направленная вниз сила тяжести (F _grav ) и направленная вверх электрическая сила (F _{избрать} ) сбалансированы. Это представляло бы сложную задачу манипулирования, поскольку воздушный шар постоянно перемещался бы из стороны в сторону и вверх и вниз под влиянием как силы тяжести, так и электрической силы. Когда трубка для гольфа удерживается слишком далеко от воздушного шара, воздушный шар падает и ускоряется вниз. Это, в свою очередь, уменьшило бы разделяющее расстояние и привело бы к увеличению электрической силы. Поскольку F _Elect увеличивается, он, вероятно, превысит F _{grav 9.0006, и воздушный шар внезапно ускорится вверх. И, наконец, если точка заряда на трубе для гольфа не находится непосредственно под точкой заряда воздушного шара (вероятный сценарий), электрическая сила будет действовать под углом к ​​вертикали, и воздушный шар боковое ускорение. Вероятным результатом такой попытки поднять шар в воздух будет множество мгновенных ускорений в различных направлениях.}

Предположим, что в какой-то момент в процессе попытки левитации воздушного шара возникли следующие условия:

0,90-граммовый воздушный шар с зарядом -75 нКл находится на расстоянии 12 см над пластиковой трубкой для гольфа, имеющей заряд -83 нКл.

Как можно применить законы Ньютона для определения ускорения воздушного шара в данный момент?

Как и любая задача, связанная с силой и ускорением, задача начинается с построения диаграммы свободного тела. На шарик действуют две силы. Сила тяжести на шаре направлена ​​вниз. Электрическая сила воздействует на воздушный шар вверх, поскольку воздушный шар и трубка для гольфа заряжены одинаково, а трубка для гольфа удерживается ниже воздушного шара. Эти две силы показаны на диаграмме свободного тела справа. Второй шаг включает определение величины этих двух сил. Сила тяжести определяется путем умножения массы (в килограммах) на ускорение свободного падения.

Электрическая сила определяется по закону Кулона. Как показано ниже, соответствующей единицей измерения заряда является кулон (Кл), а соответствующей единицей расстояния — метр (м). Использование этих единиц приведет к единице силы Ньютона. Спрос на эти единицы вытекает из единиц постоянной Кулона.

Чистая сила представляет собой векторную сумму этих двух сил. Восходящие и нисходящие силы складываются как векторы.

Последний шаг этой задачи включает использование второго закона Ньютона для определения ускорения объекта. Ускорение равно чистой силе, деленной на массу (в килограммах).

Вышеприведенный анализ показывает, как можно применить закон Ньютона и закон Кулона для определения мгновенного ускорения. Следующий анализ включает случай, когда два объекта находятся в состоянии статического равновесия.

Электрическая сила и статическое равновесие

Предположим, что два резиновых шарика подвешены к потолку на двух длинных нитях так, что они висят вертикально. Затем предположим, что каждый шарик получает 10 трений средней силы о шерсть животных. Воздушные шары, обладающие большим притяжением для электронов, чем шерсть животных, приобретут отрицательный заряд. Воздушные шары будут иметь одинаковый тип заряда, и впоследствии они будут отталкиваться друг от друга. Результатом их отталкивания является то, что струны и подвешенные воздушные шары теперь образуют угол с вертикалью. Угол нити с вертикалью будет математически связан с количеством заряда на воздушных шарах. По мере того как воздушные шары приобретают большее количество заряда, сила отталкивания между ними будет увеличиваться, а также будет увеличиваться угол, который образует нить с вертикалью. Как и любую ситуацию, связанную с электростатической силой, эту ситуацию можно проанализировать, используя векторные принципы и законы Ньютона.

Предположим, что существуют следующие условия.

Два воздушных шара весом 1,1 грамма подвешены на двухметровых нитях к потолку. Затем их десять раз натирают шерстью животных, чтобы передать одинаковый заряд Q каждому шарику. Воздушные шары отталкиваются друг от друга, и наблюдается, что каждая нить составляет угол 15 градусов с вертикалью. Определить электрическую силу отталкивания, заряд каждого шарика (считается одинаковым) и количество электронов, переданных каждому шарику в результате 10 натираний мехом животного.

Из-за сложности физической ситуации было бы целесообразно изобразить ее с помощью диаграммы. Диаграмма будет служить средством идентификации известной информации для этой ситуации. На приведенной ниже диаграмме изображены два воздушных шара с длиной нити L и углом «тета». Масса ( м ) шаров известна; здесь он выражается в килограммах (стандартная единица массы). Расстояние между шариками (переменная в законе Кулона) отмечено на диаграмме и представлено переменной д . Рисуется вертикальная линия, идущая от точки поворота на потолке; эта вертикальная линия является одной стороной прямоугольного треугольника, образованного горизонтальной линией, соединяющей воздушные шары, и веревкой, идущей от воздушного шара к потолку. Этот прямоугольный треугольник будет полезен, когда мы будем анализировать ситуацию, используя векторные принципы. Обратите внимание, что вертикальная линия делит пополам отрезок, соединяющий воздушные шары; таким образом, одна сторона прямоугольного треугольника имеет расстояние d/2 .

Применение законов Ньютона к этой ситуации начинается с построения диаграммы свободного тела для одного из воздушных шаров. На шары действуют три силы: сила натяжения, сила тяжести и электростатическая сила отталкивания. Эти три силы представлены для воздушного шара справа. (См. схему ниже.) Обратите внимание, что сила натяжения направлена ​​под углом к ​​вертикали. В физике такие ситуации рассматриваются путем разложения вектора силы на горизонтальную и вертикальную составляющие. Это показано ниже; компоненты обозначены как F _x и F _y . Эти компоненты связаны с углом, который струна образует с вертикалью, тригонометрическими функциями. Поскольку воздушный шар находится в равновесии, силы, действующие на воздушный шар, должны уравновешивать друг друга. Это означает, что вертикальная составляющая силы натяжения ( F _y ) должна уравновешивать направленную вниз силу тяжести ( F _грав ). А горизонтальная составляющая силы натяжения ( F _x ) должны уравновешивать направленную вправо электростатическую силу ( F _Elect ).

Поскольку масса воздушного шара известна, можно определить действующую на него силу тяжести.

Сила тяжести равна вертикальной составляющей силы натяжения ( F _y = 0,0108 N ). Компонент F _y связан с компонентой F _x и углом тета функцией тангенса. Это соотношение можно использовать для определения горизонтальной составляющей силы натяжения. Работа представлена ​​ниже.

Горизонтальная составляющая силы натяжения равна электростатической силе. Таким образом,

Теперь, когда электростатическая сила определена с использованием законов Ньютона и векторных принципов, теперь можно применить закон Кулона для определения заряда воздушного шара.

Предполагается, что баллоны имеют одинаковое количество заряда, так как они заряжаются одинаково с 10 трениями средней силы. Поскольку Q ₁ равно Q ₂ , уравнение можно переписать как

. Это уравнение можно алгебраически изменить, чтобы найти Q. Шаги показаны ниже.

Для завершения решения необходимо знать значение d . Это требует анализа прямоугольного треугольника, чтобы определить длину стороны, противоположной углу в 15 градусов. Эта длина составляет половину расстояния d. Поскольку длина гипотенузы известна, используется функция синуса.

Удвоение этого расстояния дает значение d равное 1,035 м. Теперь можно произвести замены, чтобы определить значение Q.

Заряд объекта связан с количеством избыточных (или недостаточных) электронов в объекте. Используя заряд одного электрона (-1,6 х 10 ^-19 Кл), можно определить количество электронов на этом объекте:

В процессе зарядки более трех триллионов электронов было передано от шерсти животных к каждому из воздушных шаров. Ух ты!

Конфигурации трех и более зарядов

В каждом из приведенных выше примеров мы исследовали взаимодействие двух заряженных объектов. Законы Ньютона и закон Кулона были объединены для анализа ситуаций. Но что, если зарядов три и более? Закон Кулона может учитывать только взаимодействие между Q ₁ и Q ₂ . Нужно ли переписывать закон для электрической силы, чтобы учесть Q ₃ ? Нет!

Электрические силы возникают в результате взаимодействия двух зарядов. В ситуациях с участием трех или более зарядов электрическая сила, действующая на один заряд, является просто результатом комбинированных эффектов взаимодействия каждого отдельного заряда этого заряда со всеми другими зарядами. Если конкретный заряд сталкивается с двумя или более взаимодействиями, то результирующая электрическая сила представляет собой векторную сумму этих отдельных сил. В качестве примера этого подхода предположим, что присутствуют четыре заряда (A, B, C и D), которые расположены в пространстве так, что образуют квадрат. Заряды A и D заряжены отрицательно и занимают противоположные углы квадрата, а заряды B и C заряжены положительно и занимают оставшиеся два угла, как показано на рисунке. Если речь идет об общей электрической силе, действующей на заряд А, то необходимо рассчитать электрические силы между А и каждым из трех других зарядов. То есть Ф _BA , F _CA и F _DA должны быть сначала определены применением закона Кулона к каждой из этих пар зарядов. Обозначение F _BA используется для обозначения силы В на А .

F _BA = K • Q _A • Q _B / D _BA ²

F _CA = K • Q _A • Q _C / D _CA ²

F _DA = k • Q _A • Q _D / d _DA ²

Направление каждой из этих трех сил можно определить, применяя основные правила взаимодействия зарядов: противоположно заряженные объекты притягиваются, а одноименно заряженные отталкиваются. Применительно к этому сценарию можно предположить, что силы F _BA , F _CA и F _DA направлены, как показано на диаграмме ниже. Заряд B притягивает A, а заряд C притягивает A, так как это пары противоположно заряженных объектов. Но заряд D отталкивает A, поскольку они представляют собой пару объектов с одинаковым зарядом.

Таким образом, величины отдельных сил определяются посредством расчетов по закону Кулона. Направление отдельных сил определяется применением правил взаимодействия зарядов. И как только величина и направление трех векторов силы известны, эти три вектора можно сложить, используя правила сложения векторов, чтобы определить результирующую электрическую силу. Это показано на диаграмме выше.

Используйте свое понимание заряда, чтобы ответить на следующие вопросы. Когда закончите, нажмите кнопку, чтобы просмотреть ответы.

1. Положительно заряженный объект с зарядом +85 нКл используется для уравновешивания направленной вниз силы тяжести на 1,8-граммовом воздушном шаре с зарядом -63 нКл. На какой высоте над воздушным шаром нужно держать предмет, чтобы уравновесить воздушный шар? (ПРИМЕЧАНИЕ: 1 нКл = 1 x 10 ^-9 В)

2. Воздушный шар A и воздушный шар B заряжаются аналогичным образом путем натирания мехом животного. Каждый приобретает избыток 25 триллионов электронов. Если масса воздушных шаров равна 1 грамму, то насколько ниже воздушного шара B должен находиться воздушный шар A, чтобы поднять воздушный шар B? Предположим, что воздушные шары действуют как точечные заряды.

3. Два 1,2-граммовых шара подвешены на световых нитях, прикрепленных к потолку в одной точке. Чистый заряд на воздушных шарах составляет -540 нКл. Воздушные шары находятся на расстоянии 68,2 см друг от друга, когда находятся в равновесии. Определить длину строки.

4. ZINGER : Три заряда расположены по оси X. Заряд А представляет собой заряд +18 нКл, размещенный в начале координат. Заряд B представляет собой заряд -27 нКл, размещенный на расстоянии 60 см. Где вдоль оси (в какой координате x?) должен быть помещен положительно заряженный C, чтобы он находился в равновесии?

Перейти к следующему уроку:

Что такое электрическая сила?

Электрическая сила

Посмотрите это видео на YouTube

Стенограмма

Электрическая сила — это сила притяжения между электронами и ядром. Итак, положительный или отрицательный заряд создает поле в пустом пространстве вокруг себя, и мы называем это пустое пространство электрическим полем. Скажем, у вас есть положительного заряда прямо здесь, вокруг него будет электрическое поле, поэтому область вокруг него будет воздействовать на этот положительный заряд.

То же самое работает и с отрицательным зарядом , у вас также есть электрическое поле вокруг него. Теперь одноименные заряды отталкиваются, а противоположные притягиваются. Скажем, у вас был положительный заряд здесь и положительный заряд здесь, они будут отталкивать друг друга, потому что они подобны зарядам. Кроме того, если у вас было два отрицательных заряда, они как заряды, поэтому будут отталкивать друг друга.

Затем скажите, что у вас есть положительный заряд здесь и отрицательный заряд здесь, они будут притягиваться друг к другу, поэтому они будут притягиваться друг к другу, потому что у них противоположные заряды, а противоположные заряды притягиваются. Теперь у нас есть силовые линии, которые показывают пути зарядов. Скажем, у вас был положительный заряд прямо здесь; от него отходят силовые линии.

Теперь на всех линиях будут стрелки, так что направление положительного заряда — от него, а направление отрицательного — к нему. Все эти стрелки прямо здесь указывали бы в сторону от положительного заряда, но если бы у нас был отрицательный заряд, то все стрелки указывали бы на него. Затем обратите внимание, что я нарисовал стрелки в конце строки, но иногда линии будут длиннее, и стрелки будут выглядеть примерно так, и они будут просто в середине строки, и это работает так же. с отрицательными зарядами, поэтому эти стрелки будут указывать на отрицательный заряд.

Теперь электрический заряд измеряется в единицах кулон и пишется вот так кулон, и мы можем сократить его просто заглавной С вот так. 1 кулон равен тому, что мы можем сказать, 1А умножить на 1с. A здесь означает ампер, а s означает секунду, поэтому это количество заряда, перемещаемого за 1 секунду постоянным током в 1 ампер.

Теперь электрическая сила прямо пропорциональна произведению величин заряда (поэтому электрическая сила прямо пропорциональна произведению величин зарядов), а затем она будет обратно пропорциональна расстоянию между двумя объектами. Мы собираемся вернуться сюда, где говорится, что электрическая сила прямо пропорциональна произведению величины заряда.

Это имеет смысл, чем больше величины этих зарядов, тем больше силы они будут иметь, так что чем выше величины, тем выше будет произведение их обоих вместе, потому что мы рассматриваем два заряда. здесь, поэтому мы собираемся перемножить две величины вместе, чтобы получить произведение, и так как оно увеличивается, электрическая сила будет расти.

Теперь электрическая сила обратно пропорциональна расстоянию между двумя объектами, поэтому чем дальше друг от друга находятся два объекта, тем меньше будет электрическая сила, потому что чем дальше они друг от друга, тем меньше они воздействуют на между собой, поэтому мы говорим, что они обратно пропорциональны, потому что по мере увеличения расстояния электрическая сила уменьшается, но когда электрическая сила увеличивается, расстояние уменьшается. Когда мы говорим здесь, что электрическая сила прямо пропорциональна, это означает, что когда одно идет вверх, другое идет вверх, и когда одно идет вниз, другое идет вниз. Это взгляд на электрическую силу.