могут ли так взаимодействовать шарики
Закон сохранения электрического заряда
Электрический заряд
Электрический заряд — это физическая величина, которая определяет способность тел создавать электромагнитное поле и принимать участие в электромагнитном взаимодействии.
Мы состоим из клеток, клетки состоят из молекул, молекулы в свою очередь состоят из атомов, а атомы — из ядра и электронов. Ядро состоит из протонов и нейтронов.
Протон — это частица, которая заряжена положительно, нейтрон — нейтрально, а электрон — отрицательно. Электрон вращается по орбитам, которые во много раз больше, чем размер электрона.
Размер электрона с размером орбиты можно сравнить так: представьте футбольный мяч и футбольное поле. Во сколько раз поле больше мяча, во столько же раз орбита больше, чем электрон.
Как мы уже выяснили, электрические заряды бывают положительными и отрицательными. Одноименные заряды отталкиваются, разноименные притягиваются:
А вот измерять Электрический заряд мы будем в Кулонах [Кл]. Нет, не тех, что болтаются на цепочке. Шарль Кулон — это физик, который изучал электромагнитные явления.
Электризация
Чтобы разобраться с тем, как тело приобретает электрический заряд и сохраняет его, нам для начала нужно поближе познакомится с протоном и электроном. Протон — ленивый и неповоротливый — он точно не будет никуда перемещаться, если мы не переместим атом целиком.
А вот электрон — парень подвижный, и ему перебежать с одного атома на другой — ничего не стоит.
Мы поговорим о двух типах электризации: электризация соприкосновением и электризация трением.
Свободные электроны переходят с незаряженного тела на нейтральное. А если мы возьмем положительно заряженное тело вместо отрицательного, то свободные электроны перейдут с нейтрального тела, чтобы уравновесить заряды.
Электроны переходят от одного тела к другому и в отличии от электризации соприкосновением заряжаются противоположными по знаку и равными по модулю зарядами.
То есть при соприкосновении заряд раздают одного знака и поровну. Как если бы ты поделился с другом конфетами, которых у тебя с избытком.
При трении наоборот — заряды у тел будут разных знаков, но также в одинаковом количестве. Например, у вас есть равное количество денег в рублях и долларах, и у меня аналогичная ситуация с той же суммой. Вы решили лететь в США, а мне как раз доллары не нужны. Чтобы не ходить в банк, мы можем просто поменяться. Тогда у вас будут только доллары, а у меня — только рубли. Главное, договориться про курс 🙂
Давайте решим пару задач по этой теме.
Задачка один
Из какого материала может быть сделан стержень, соединяющий электрометры, изображённые на рисунке?
Решение:
Он может быть сделан либо из проводника, либо из диэлектрика. Проводник пропускает через себя заряды, а диэлектрик — нет. Если мы посмотрим на показания электрометров, то увидим, что они отличаются.
Как мы помним, при соприкосновении заряды уравниваются по величине (один электрометр делится конфетами с другим). В данном случае никто ни с кем не делился, это значит, что стержень не пропускает — он диэлектрик. И стекло, и эбонит являются диэлектриками. Значит подходят оба варианта!
Задачка два
В процессе трения о шёлк стеклянная линейка приобрела положительный заряд. Как при этом изменилось количество заряженных частиц на линейке и шёлке при условии, что обмен при трении не происходил?
А) количество протонов на стеклянной линейке
Б) количество электронов на шёлке
Решение:
Вспомните, как мы охарактеризовали протон: он ленивый и неподвижный! Значит количество протонов ни на стеклянной линейке, ни на шелке измениться просто не может. Мы же не отламываем кусок линейки вместе с атомами, из которых она состоит. А вот электроны охотно перемещаются. Нам известно, что линейка приобрела положительный заряд. Получается, электроны сбежали от нее к шелку. Следовательно, количество электронов на шелке увеличилось.
Электростатическая индукция
Кажется, с электризацией разобрались. Теперь разберемся, что произойдет, если мы поднесем одно тело к другому, но не вплотную. Произойдет такое явление, как электростатическая индукция — явление перераспределения зарядов в нейтрально заряженных телах.
Давай разбираться на примере задачи:
На нити подвешен незаряженный металлический шарик. К нему снизу поднесли положительно заряженную палочку. Как изменится при этом сила натяжения нити?
Решение:
Здесь важно подчеркнуть, что незаряженный — значит заряжен нейтрально. То есть в теле равное количество положительных и отрицательных зарядов.
Электроны металлического шарика будут притягиваться к поднесенной положительной палочке. В результате шарик притягивается к палочке, следовательно, сила натяжения нити увеличивается.
Ответ: сила натяжения нити увеличивается
Поляризация диэлектрика
Давайте возьмем два, на первый взгляд, одинаковых задания из ЕГЭ.
Задание 1
Если к незаряженному металлическому шару поднести, не касаясь, точечный положительный заряд, то на стороне шара, ближайшей к заряду, появится отрицательный заряд. Как называется это явление?
Мы только что это разобрали: то электростатическая индукция.
Задание 2
Если к незаряженному диэлектрическому шару поднести, не касаясь, точечный положительный заряд, то на стороне шара, ближайшей к заряду, появится отрицательный заряд. Как называется это явление?
Кажется, что очень похоже на электростатическую индукцию, но это явление будет называться поляризация. В чем разница:
В первом случае — это проводник, а во втором — диэлектрик. Если не вдаваться в подробности, то поляризация диэлектрика — процесс, очень похожий по природе своей на электростатическую индукцию, только происходит в непроводящих материалах.
Закон сохранения электрического заряда
И последнее, о чем мы сегодня поговорим — этот закон сохранения заряда
Алгебраическая сумма зарядов электрически замкнутой системы сохраняется.
Закон сохранения заряда
q1 + q2 + q3 + … + qn = const
q1, q2, q3, …, qn — заряды электрически замкнутой системы [Кл]
Задачка раз
Решение:
Для решения этой задачи нам нужно найти алгебраическую сумму зарядов.
Это суммарный заряд шариков и до, и после и во время взаимодействия.
Так как суммарный заряд сохраняется, но шарики соприкоснулись, суммарный заряд разделится между всеми шариками поровну. То есть нам нужно суммарный заряд просто поделить на количество шариков — на 2.
И это ответ к нашей задаче.
Задачка два
Металлическая пластина, имевшая положительный заряд, по модулю равный 10е, при освещении потеряла шесть электронов. Каким стал заряд пластины?
Решение:
q = q₀ — 6(— e) = 10e + 6e = 16e
Красный знак «минус» образуется из-за того, что мы «отнимаем» электроны, а зеленый — из-за того, что электрон отрицательный. «Минус на минус» дает плюс, поэтому мы получаем 10e + 6e = 16е.
Ответ: 16е
Задачка три
Решение:
По закону сохранения заряда сумма зарядов в замкнутой системе остается постоянной.
Два шарика привели в соприкосновение и развели, значит их суммарный заряд разделится между шариками поровну.
Ответ: заряды шариков равны 2q.
Закон Кулона и связь с гравитацией
Мы уже упоминали Шарля Кулона. В честь него названа единица измерения заряда — Кулон. Он придумал закон о взаимодействии зарядом.
Закон Кулона
k — коэффициент пропорциональности
E₀= 8,85 * 10-12Н*м²/Кл² — электрическая постоянная
E — диэлектрическая проницаемость среды — показывает во сколько раз сила электростатического взаимодействия в вакууме больше силы в среде (в вакууме равна 1)
q1 — заряд первого тела [Кл]
q2 — заряд второго тела [Кл]
r — расстояние между телами [м]
F — сила электростатического взаимодействия (кулоновская) [Н]
Мы уже знаем, что заряды бывают положительными и отрицательными. Одноименные заряды отталкиваются, а разноименные — притягиваются. Это значит, что сила направлена туда же, куда заряд будет стремиться двигаться.
Например, у положительного заряда сила будет направлена в сторону отрицательного, если он есть где-то поблизости, и от положительного, так как одноименные заряды отталкиваются.
Согласно третьему закону Ньютона, силы одной природы возникают попарно, равны по величине, противоположны по направлению. Если взаимодействуют два неодинаковых заряда, сила, с которой больший заряд действует на меньший (В на А) равна силе, с которой меньший действует на больший (А на В).
Интересно, что у различных законов физики есть некоторые общие черты. Вспомним закон тяготения. Сила гравитации также обратно пропорциональны квадрату расстояния, но уже между массами. И невольно возникает мысль, что в этой закономерности таится глубокий смысл. До сих пор никому не удалось представить тяготение и электричество, как два разных проявления одной и той же сущности.
Сила и тут изменяется обратно пропорционально квадрату расстояния, но разница в величине электрических сил и сил тяготения поразительна. Пытаясь установить общую природу тяготения и электричества, мы обнаруживаем такое превосходство электрических сил над силами тяготения, что трудно поверить, будто у тех и у других один и тот же источник. Нельзя говорить, что одно действует сильнее другого, ведь все зависит от того, какова масса и каков заряд.
Рассуждая о том, насколько сильно действует тяготение, мы не вправе говорить: «Возьмем массу такой-то величины», потому что мы выбираем ее сами. Но если мы возьмем то, что предлагает нам сама Природа: ее собственные числа и меры, которые не имеют ничего общего с нашими дюймами, годами — с любыми нашими мерами, вот тогда мы можем сравнивать.
Мы возьмем элементарную заряженную частицу, например, электрон. Две элементарные частицы, два электрона, за счет электрического заряда отталкивают друг друга с силой, обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними, а за счет гравитации притягиваются друг к другу опять-таки с силой, обратно пропорциональной квадрату расстояния.
Закон Всемирного тяготения
G= 6,67 * 10⁻¹¹*11м³/кг*c² — гравитационная постоянная
m1 — масса первого тела [кг]
m2 — масса второго тела [кг]
r — расстояние между телами [м]
F — сила гравитационного притяжения [Н]
Тяготение относится к электрическому отталкиванию, как единица к числу с 42 нулями. Да, это огромное число! Исследователи перебирали все большие числа, чтобы понять — откуда это взялось. Одно из таких больших чисел — это отношение диаметра Вселенной к диаметру протона — как ни удивительно, это тоже число с 42 нулями. Нормально так перебрали.
Если вы смотрели Рика и Морти, то знаете о теории параллельных вселенных и о том, что эти вселенные расширяются. Из-за расширения вселенной постоянная сила тяготения меняется. Хотя эта гипотеза еще не опровергнута, у нас нет никаких свидетельств в ее пользу. Наоборот, некоторые данные говорят о том, что постоянная сила тяготения не менялась таким образом. Это громадное число по сей день остается загадкой.
От расширяющихся вселенных и мультиков перейдем к чему-то более приземленному — к задачам.
Задачка раз
Расстояние между двумя точечными электрическими зарядами уменьшили в 3 раза, каждый из зарядов увеличили в 3 раза. Во сколько раз увеличился модуль сил электростатического взаимодействия между ними?
Решение:
Возьмем закон Кулона.
Если расстояние уменьшилось в 3 раза, то знаменатель уменьшился в 9 раз. Каждый из зарядов увеличился в три раза, значит числитель увеличился в 9 раз. Уменьшаем знаменатель в 9 раз, тем самым увеличивая всю дробь в 9 раз, увеличиваем числитель в 9 раз, получаем, что вся дробь увеличилась в 81 раз. И это ответ.
Ответ: модуль сил электростатического взаимодействия увеличится в 81 раз.
Задачка два (последняя!)
Два одинаковых маленьких отрицательно заряженных металлических шарика находятся в вакууме на достаточно большом расстоянии друг от друга. Модуль силы их кулоновского взаимодействия равен F₁. Модули зарядов шариков отличаются в 5 раз.
Если эти шарики привести в соприкосновение, а затем расположить на прежнем расстоянии друг от друга, то модуль силы их кулоновского взаимодействия станет равным F₂. Определите отношение F₂ к F₁.
Решение:
Для начала найдем заряд шариков после соприкосновения.
Теперь по закону кулона найдем силу F2
И находим отношение сил
Ответ: отношение сил равно 1,8
Тест Электризация тел. Взаимодействие заряженных тел 8 класс
Тест Электризация тел. Взаимодействие заряженных тел 8 класс с ответами. Тест включает 10 заданий.
1. Тело, которое наэлектризовано (имеет электрический заряд)
1) нагревается
2) охлаждается
3) приходит в движение
4) притягивает к себе другие тела
2. Стеклянную палочку трут листом бумаги. Какое из этих тел наэлектризуется?
1) стеклянная палочка
2) лист бумаги
3) оба тела
4) ни одно из них
3. Как наэлектризовать любое тело?
1) потереть его чем-нибудь
2) дотронуться до него телом, имеющим электрический заряд
3) любое тело нельзя наэлектризовать
4) надо подобрать материал, который наэлектризует данное тело
4. Электрические заряды бывают
1) положительными
2) отрицательными
3) положительными и отрицательными
4) разными
5. Как взаимодействуют наэлектризованные тела?
1) притягиваются или отталкиваются в зависимости от того, какие у тел заряды
2) тела с зарядами одного знака притягиваются
3) тела с зарядами разного знака отталкиваются
4) если у тел заряды одного знака, они отталкиваются, если разного — притягиваются
6. В каком случае правильно изображено взаимодействие заряженных тел?
1) № 1
2) № 2
3) № 3
4) нет правильного изображения
7. Какие бумажные цилиндрики, показанные на рисунке, не заряжены, а каким сообщены одноименные заряды?
1) № 3; № 1
2) № 3; № 2
3) № 1; № 3
4) № 1; № 2
8. В каких случаях эти наэлектризованные шарики должны отталкиваться?
1) № 1 и № 3
2) № 2 и № 4
3) № 1 и № 4
4) № 2 и № 3
9. Два тела, обладая положительным зарядом, отталкиваются. Как они будут взаимодействовать, если одно из них приобретет отрицательный заряд? Если отрицательно наэлектризованными станут оба тела?
1) притянутся в обоих случаях
2) в том и другом случае оттолкнутся
3) притянутся; оттолкнутся
4) оттолкнутся; притянутся
10. К наэлектризованным шарам, знаки зарядов которых неизвестны, подносят палочки с зарядом известного знака. На каком рисунке показан шар, имеющий отрицательный заряд?
Ответы на тест Электризация тел. Взаимодействие заряженных тел 8 класс
1-4
2-3
3-12
4-3
5-4
6-3
7-2
8-1
9-3
10-2
Конец июня – время выпускных. Праздничные наряды, веселые лица, букеты, банты и, конечно же, шары… Ежегодно на массовых мероприятиях и семейных торжествах в небо запускаются миллионы воздушных шаров по всей России.
Выглядит это очень красиво и трогательно, но задумывались ли вы, что происходит потом? Куда деваются запущенные в небо шары? Они же не исчезают и не испаряются. После достаточно продолжительного полета (латексные шарики без дополнительной обработки могут держаться в воздухе до 14 часов, а обработанные – в разы дольше) они превращаются в самый обычный мусор.
Есть 5 причин, из-за которых вам стоит отказаться от запуска воздушных шаров:
1. Многие специалисты в защиту шаров говорят о том, что латекс быстро разлагается в природе. В принципе, они правы. Срок разложения латексных/резиновых шаров – до 4 лет. Но не все шары делаются из латекста, не все латексные шары сделаны ИСКЛЮЧИТЕЛЬНО из него, и не стоит забывать про капроновую веревку, которой чаще всего они перевязываются. Она распадается около 100 лет.
Сдувшиеся или лопнувшие воздушные шары, попадая на землю, часто становятся смертельным кормом для диких животных, а если попадают в водоемы, то и для рыб.
Особенно это касается морских черепах, которые принимают ошметки воздушных шаров за медузу, что является их основным рационом. Воздушный шар блокирует кишечный тракт, заставляя умирать от голода.
Если вам интересно, что происходит с пищеварительной системой животного, когда туда попадает кусок латекса, представьте, что вы проглотили хирургическую перчатку.
3. Птицы и морские животные могут запутаться в капроновых веревках и нитках, что зачастую приводит к их гибели.
4. Производство, покупка и выпуск воздушных шаров – самый бездарный способ использования такого ресурса как гелий. Он хоть и является вторым по распространенности химическим элементом, но его запасы ограничены. В статье из Википедии можно узнать о различных способах использования гелия, которые имеют гораздо большее значение для человечества: https://ru.wikipedia.org/wiki/Гелий
Латексные шары опасны для животных, а вот изделия из фольги могут привести к отключению электроэнергии и спровоцированных искрой пожарам.
Так, например, 28 июня (буквально на днях) более 30 тыс. жителей Якутска оказались отключенными от электроэнергии из-за запущенных выпускниками воздушных шаров, которые запутались в проводах. Это были гелиевые шары с фольгированными лентами. Об этом говорит портал https://iz.ru/.
Если после прочитанного вы до сих пор не верите в опасность воздушных шаров, предлагаю посмотреть видео об американском фестивале, который прошел в 1986 году в г.Кливленд.
Одновременно надуть полтора миллиона воздушных шаров не представлялось возможным, поэтому для них построили сетку размерами 76 на 46 метров и разместили её на высоте трёх этажей. Более 2500 студентов и волонтёров надували шары.
В 13:50 27 сентября сетку порвали и выпустили шары в воздух. Поднявшись в воздух, они столкнулись с холодным циклоном и дождём и вскоре начали падать на землю, засоряя тротуары, дороги и реки штата Огайо. При этом часть из них оставалась в воздухе и парализовала воздушное пространство, превратившись в «минное поле» для самолётов и вертолётов.
Местный аэропорт закрыл взлётно-посадочную полосу. Часть рейсов была задержана, некоторые — отменены. Сообщалось об увеличении количества ДТП из-за того, что водители пытались не сталкиваться с воздушными шарами или любовались зрелищем, отвлекаясь от дороги.
Кроме того, в день мероприятия семьи двух рыбаков объявили об их пропаже. Береговая охрана отправилась на поиски мужчин и быстро обнаружила их лодку, но спасатели не смогли их найти из-за огромного количества воздушных шаров, дрейфующих в воздухе и в воде. Спустя два дня тела рыбаков выбросило на сушу.
Существует даже международная организация, которая занимается просветительской деятельностью о вреде запуска воздушных шариков: https://balloonsblow.org/.
В России об их вреде говорят давно. Неравнодушные люди даже пытались продвинуть инициативу о запрете массового запуска в небо воздушных гелиевых шаров на мероприятиях различного уровня на портале РОС (российской общественной инициативы). К сожалению, ее поддержало слишком мало человек, а достаточно большая часть (307 из 977) высказалась против. С инициативой можно ознакомиться здесь: https://www.roi.ru/36118/
Возможно, что воздушные гелиевые шары ждет та же участь, что и небесные китайские фонарики.
Популярные несколько лет тому назад китайские фонарики поднимаются в небо благодаря открытому огню, как это происходит при запуске настоящего воздушного шара. Китайский фонарик по своей сути является неуправляемым источником открытого огня. Он легко может попасть на балкон, строящееся здание или лесной массив, став причиной пожара.
Так, в 2013 году произошло сразу два подобных события: по вине фонариков горел «Мосфильм», а в заповеднике «Столбы» в Красноярске выгорело почти 3,5 гектара леса.
В связи с этим в 2014 году вышло постановление Правительства, запрещающее запуск небесных фонариков на территории всех поселений и городских округов, а также на расстоянии менее 100 метров от лесов.
По информации спасателей, запускать фонарики можно на территории, отдаленной от поселений, городских округов и лесных массивов в сухую безветренную погоду, на открытом пространстве.
За нарушение данного постановления предусмотрены штрафы: для физических лиц до 4 тысяч рублей, для должностных – до 30 тысяч рублей, для юридических – до 500 тысяч рублей. В случае, если неосторожный запуск китайского фонарика стал причиной пожара, то для виновника наступает уголовная ответственность.
Зачем дожидаться трагических событий, чтобы понять, что воздушные гелиевые шары – это обычный мусор, который может стать причиной смерти животных и возгорания ЛЭП?
Если говорить о Тульской области, то в 2018 году ЕГЭ сдает 2509 выпускников. Это значит, что больше 2 тысяч воздушных шаров будет использовано в оформлении посещений и выпущено в воздух, которые потом будут засорять наши города, леса и реки.
ЧТО МОЖНО СДЕЛАТЬ:
1. Отказаться от использования гелиевых воздушных шаров на различных мероприятиях. Так, 5870 выпускников школ Астаны отказались в 2018 году от привычной традиции. Это решение было принято местными властями после многочисленных обращений в администрацию экологов Казахстана.
2. Использовать в оформлении помещений ткани, ленты, цветы.
3. Рассказать своим близким и родным о вреде воздушных шаров.