Ce qui est différent dans l’interaction ne se transmet pas par voie aérienne. Interactions électriques

35. Répulsion électrique Revenons à l'expérience maintenant décrite avec un peigne électrifié suspendu. Nous avons vu qu'il est attiré par tout corps non électrifié. Il est intéressant d’observer comment un autre objet, également électrifié, agit sur lui. Expérience

Interaction des vagues d'eau Créons deux sources sur l'eau qui sont égales en fréquence et en amplitude de volonté. Pour ce faire, sur l'appareil que nous connaissons, nous remplacerons la tige B par un culbuteur horizontal, et fixerons deux tiges verticales aux extrémités du culbuteur. Chaque tige, hésitant,

Interaction forte Le modèle standard stipule que les protons, les neutrons et autres particules lourdes ne sont pas du tout élémentaires, mais sont constitués d'autres particules encore plus petites - les quarks. À leur tour, les quarks se distinguent par trois « couleurs » et six « saveurs » (ces termes ne sont pas

Faible interaction Po Modèle standard, force interaction faible détermine les propriétés de leptons tels que l'électron, le muon, le méson tau et les neutrinos correspondants. Comme d'autres forces, les leptons interagissent en échangeant des quanta, appelés W- et

Interaction électromagnétique Le modèle standard inclut la théorie de Maxwell sur l'interaction avec d'autres particules. Cette partie du modèle standard, qui explique l'interaction des électrons et de la lumière et est appelée électrodynamique quantique(QED), confirmé

CHAPITRE 4. Interaction entre matière, électricité et lumière Les échos théoriques des découvertes de Faraday ont atteint les scientifiques des générations suivantes, comme Maxwell et Einstein. Ils prirent le relais des Sandémaniens pour formuler des théories avec plus de précision.

INTERACTION ENTRE MAGNÉTISME ET LUMIÈRE : L'EFFET FARADAY Bien que la lumière et le magnétisme puissent sembler n'avoir rien en commun, ils sont en fait interdépendants. Chaque fois que nous touchons quelque chose, les atomes de nos doigts interagissent avec les atomes de cet objet.

Les expériences qui permettent de détecter l'attraction ou la répulsion de corps chargés nous convainquent que les charges électriques interagissent à distance. De plus, plus les corps électrifiés sont proches les uns des autres, plus l'interaction entre eux est forte ; plus elle est éloignée, plus elle est faible.

En étudiant la mécanique, nous avons vu que l'action d'un corps sur un autre se produit directement lors de leur interaction. Comment expliquer l’interaction des corps électrifiés ? Dans nos expériences, les corps électrifiés étaient situés à une certaine distance les uns des autres. Peut-être que l'effet d'un corps électrifié sur un autre se transmet par l'air entre les corps ? Cependant, les corps chargés interagissent également dans espace sans air. Si vous placez un électroscope chargé sous la cloche d'une pompe à air, les feuilles de l'électroscope se repoussent toujours (Fig. 36). (L'air a été pompé sous la cloche.) Les physiciens anglais Michael Faraday et James Maxwell ont étudié l'interaction des charges électriques.

Riz. 36. Électroscope chargé sous la cloche de la pompe à air

À la suite d'une longue étude des phénomènes électriques, il a été établi que tout corps chargé est entouré de champ électrique.

Le champ électrique est genre spécial matière, différente de la matière.

Nos sens ne perçoivent pas le champ électrique. Le champ peut être détecté du fait qu'il agit sur n'importe quelle charge qu'il contient. C'est précisément ce qui explique l'interaction des corps électrifiés. Le champ électrique entourant l’une des charges agit avec une certaine force sur une autre charge placée dans le champ de la première charge. A l’inverse, le champ électrique de la seconde charge agit sur la première.

La force avec laquelle un champ électrique agit sur un objet qui y est introduit charge électrique, est appelée force électrique.

Lorsque nous avons amené un bâton chargé dans une douille chargée, nous avons observé que la douille était repoussée. Nous avons ainsi détecté le champ électrique du stick par son effet sur la charge située sur le manchon. Mais la douille a également eu un effet sur le bâton d'ébonite. Ainsi, dans le cas de corps électrifiés, une interaction est observée.

De nombreuses expériences nous permettent de conclure que près d'un corps chargé, l'effet du champ est plus fort, et à mesure que vous vous en éloignez, l'effet du champ s'affaiblit.

Alors, apportons un bâton avec une charge du signe opposé à la manche. À mesure que le bâton s'approche du manchon, l'angle de déviation du manchon augmentera (Fig. 37). Par conséquent, plus les corps chargés sont proches, plus l’effet du champ est fort.

Riz. 37. Dépendance de l'action du champ électrique sur la distance à la charge

Puisque toute charge dans un champ électrique est soumise à une force, cela signifie que lorsque la charge est déplacée par le champ, un travail est effectué. Et si le champ est capable d’effectuer un travail, alors il possède de l’énergie.

Questions

1. Décrivez une expérience qui montre que l’interaction électrique ne se transmet pas par l’air.
2. En quoi l’espace entourant un corps électrifié diffère-t-il de l’espace entourant un corps non électrifié ?
3. Comment détecter un champ électrique ?
4. Comment la force agissant sur une cartouche chargée change-t-elle à mesure qu'elle s'éloigne du corps chargé ? Comment cela peut-il être démontré expérimentalement ?

Exercice

1. Où se déplaceront les peluches chargées négativement, prises dans le champ électrique d’un bâton d’ébonite frotté de fourrure ?
2. Un bâton portant une charge de signe opposé a été apporté à l'étui chargé. Comment la déviation du manchon va-t-elle changer à mesure que le bâton s'approche ? Pourquoi?

Les corps électrifiés, comme le montrent les expériences, interagissent les uns avec les autres - ils s'attirent et se repoussent. Considérons maintenant comment l'effet d'un corps électrifié se transmet à un autre. Peut-être que cela se transmet par l'air ? Découvrons cela par expérience. Plaçons un électroscope chargé sous la cloche de la pompe à air et pompons l'air sous la cloche (Fig. 217). L'expérience montre que même dans un espace sans air, les feuilles de l'électroscope se repoussent. Cela signifie que l’interaction électrique ne se transmet pas par l’air. Mais à partir de cette expérience, il est encore impossible d'établir si les charges électriques agissent les unes sur les autres à distance ou entre eux, il y a quelque chose de matériel, que nous ne ressentons pas, à travers que cette action est transmise. Cette question n’est pas simple ; des scientifiques de nombreux pays l’étudient depuis de nombreuses années. La réponse à cette question a été donnée dans leurs travaux par les physiciens anglais Faraday et Maxwell.

Selon les enseignements de Faraday et Maxwell, l’espace entourant un corps électrifié diffère de l’espace entourant les corps non électrifiés. Dans l’espace où se trouve la charge électrique, il existe un champ électrique. Un champ électrique est un type de matière différent de la matière. Nous ne pouvons pas percevoir directement le champ électrique à l’aide de nos sens. L’existence d’un champ électrique ne peut être jugée que par ses actions. Le champ électrique d’une charge agit avec une certaine force sur toute autre charge se trouvant dans le champ d’une charge donnée.

La force avec laquelle un champ électrique agit sur une charge électrique qui y est introduite est appelée force électrique.

Dans les expériences, non seulement un bâton chargé avec son champ électrique agit sur une douille chargée, mais la douille, à son tour, agit sur le bâton avec son champ électrique. Il y a donc, comme toujours, une interaction entre les corps.

Accrochons une douille chargée à un fil. Apportons-lui un bâton chargé de charges opposées, comme le montre la figure 218. Ensuite, nous rapprocherons le support avec l'étui de la cartouche du bâton chargé. En fonction de l'angle de déflexion du fil, on constate que plus le manchon est proche du bâton, plus une plus grande force le champ électrique d'une tige chargée agit sur elle. Par conséquent, à proximité de corps chargés, l'effet du champ est plus fort et lorsqu'on s'en éloigne, le champ s'affaiblit.

Questions. 1. Décrivez une expérience qui montre que l’interaction électrique ne se transmet pas par l’air. 2. Quelle est la différence entre l'espace entourant l'électrifié corps, depuis l'espace qui l'entoure corps électrifié ? 3. Comment détecter un champ électrique ? 4. Comment la force agissant sur une cartouche chargée change-t-elle à mesure qu'elle s'éloigne du corps chargé ?

L'étude des phénomènes électriques a commencé en Grèce antique d'une observation qui a donné naissance plus tard au mot électricité. On a remarqué que si l'ambre est frotté avec de la laine, il commence à attirer petits objets- par exemple, peluches et plumes. L'ambre en grec signifie électron, ce type d'interaction est donc appelé électrique.

Aujourd’hui, n’importe qui peut répéter cette célèbre expérience grecque antique, même sans ambre.

Mettons l'expérience

Peignez les cheveux secs avec un peigne en plastique et tenez-les près des petits morceaux de papier sans les toucher. Des morceaux de papier seront attirés par le peigne (Fig. 49.1).

Interactions électriques sont causées par la présence de charges électriques dans les corps.

Un corps qui a une charge électrique est appelé chargé électriquement (ou simplement chargé), et la transmission de charges électriques aux corps est appelée électrification.

L'ambre frotté acquiert la capacité d'interagir électriquement du fait que lorsqu'il est frotté, il devient électrifié. Par la suite, il s’est avéré que l’ambre ne fait pas exception : de nombreux corps sont électrisés par friction. Vous avez probablement vous-même ressenti un « choc électrique » à plusieurs reprises lorsque vous touchiez une autre personne après avoir enlevé ou enfilé des vêtements en laine. C'est aussi le résultat de l'électrification lors du frottement.

Des expériences avec des corps électrifiés - par exemple frottés avec de l'ambre ou un peigne - montrent que les corps électrifiés attirent les objets non chargés. Nous verrons ci-dessous que cette attraction est également due à l’interaction des charges électriques.

1. De nombreuses femmes au foyer, essayant d'essuyer le plus soigneusement possible la poussière des meubles, frottent longuement la surface des meubles avec un chiffon sec. Mais hélas, plus ils essaient, plus vite la poussière retombe sur les surfaces « bien essuyées ». La même chose se produit lorsque vous essuyez soigneusement un écran d’ordinateur ou d’ordinateur portable avec un chiffon sec. Comment expliquer cela ?

Pour obtenir des corps chargés dans expériences scolairesÉlectriquement, ils frottent généralement un bâton d'ébonite avec de la laine ou un bâton de verre avec de la soie. (Ébonite - solide noir, composé de soufre et de caoutchouc.) En conséquence, les bâtons acquièrent une charge électrique.

Mettons l'expérience

Électrifions un manchon métallique léger (cylindre métallique) en le touchant pendant qu'il est chargé. tige de verre, et l'autre manchon en le touchant avec une tige d'ébonite chargée. Nous verrons que les manches commenceront à s'attirer (Fig. 49.2, a).
Mais deux cartouches, électrifiées à l'aide du même bâton, se repousseront toujours - quel que soit le bâton que nous avons utilisé pour électrifier les cartouches (Fig. 49.2, b, c).

Cette expérience montre que les charges électriques sont de deux types : les charges de même type se repoussent et les charges différents types sont attirés. Le plus souvent, ils ne parlent pas des types, mais des signes de charges, les qualifiant de positives et négatives. Le fait est que les charges de signes opposés peuvent s'annuler (tout comme la somme des charges positives et positives). nombres négatifs Peut être égal à zéro). Donc,

Les charges électriques ont deux signes : positif et négatif.

La charge d'une tige de verre frottée avec de la soie est considérée comme positive, et la charge d'une lime en ébonite frottée avec de la fourrure ou de la laine est considérée comme négative.
Les corps qui ont une charge du même signe sont appelés chargés du même signe, et les corps qui ont des charges de signes différents sont appelés chargés de manière opposée.

L'expérience décrite ci-dessus a montré que

Les corps chargés probablement se repoussent et les corps chargés de manière opposée s'attirent..

2. a) Les charges de trois balles peuvent-elles être telles que n'importe quelle paire de balles se repousse ? mutuellement attirés ?
b) Est-il possible de déterminer, sans utiliser d'autres corps ou instruments : quel est le signe de la charge de chaque balle ? Est-ce que toutes les balles ont la même charge ?
c) Décrivez une expérience qui peut être utilisée pour déterminer le signe de la charge de chaque balle.

Les corps qui n’ont pas de charge électrique sont appelés non chargés ou électriquement neutres. Presque tous les corps qui nous entourent sont neutres. Mais cela ne veut pas dire qu’ils n’ont pas de charges électriques !

Au contraire, tout corps contient un grand nombre de particules chargées positivement et négativement, au total charge positive, et la charge négative totale de ces particules est colossale (nous le verrons bientôt). Mais ces charges positives et négatives se compensent avec une très grande précision.

2. Porteurs de charge électrique

La charge électrique est portée uniquement par des particules chargées. La charge électrique n'existe pas sans particules.

Les particules chargées sont appelées porteurs de charge électrique. S’ils peuvent se déplacer dans une substance, ils sont appelés porteurs libres de charges électriques ou simplement charges libres.

Plus souvent que les autres dans le rôle frais gratuits des électrons émergent. Comme vous le savez déjà grâce à votre cours de physique au lycée, ces particules très légères chargées négativement se déplacent autour d'un noyau atomique massif (comparé aux électrons) chargé positivement. Ce sont les électrons qui sont porteurs de charges libres dans les métaux.

Les ions, atomes qui ont perdu ou gagné un ou plusieurs électrons, peuvent également porter une charge électrique. (Du grec "ion" - vagabond.) Un atome qui a perdu un ou plusieurs électrons devient un ion chargé positivement, et un atome avec un ou plusieurs électrons en excès devient un ion chargé négativement.

Par exemple, en solution sel de table Les charges libres (NaCl) sont des ions sodium chargés positivement et des ions chlore chargés négativement.

3. En quel ion (chargé positivement ou négativement) se transforme un atome qui perd un électron ?

4. Comment la masse d'un atome change-t-elle lorsqu'elle devient : ion positif? ion négatif ?

Les électrons les plus éloignés du noyau sont liés plus faiblement au noyau. Par conséquent, lorsque deux corps sont en contact étroit, les électrons peuvent se déplacer d'un corps à l'autre (Fig. 49.3). Cela explique pourquoi les corps s’électrisent souvent lorsqu’ils se frottent.

À la suite de l'électrification, un excès d'électrons apparaît dans un corps et, par conséquent, il acquiert une charge électrique négative, et dans un autre corps, un manque d'électrons se produit, ce qui lui permet d'acquérir une charge positive.

3. Conducteurs et diélectriques

Les substances contenant des porteurs de charge électriques libres sont appelées conducteurs.

Tous les métaux sont de bons conducteurs. Les solutions de sels et d'acides sont également conductrices : ces liquides sont appelés électrolytes. (Du grec « litos » – décomposable, soluble.) Les électrolytes sont, par exemple, eau de mer et du sang.

Dans les métaux, les charges libres sont des électrons et dans les électrolytes, les charges libres sont des ions.

Les substances dans lesquelles il n'y a pas de porteurs de charge électriques libres sont appelées diélectriques.

Les diélectriques sont de nombreux plastiques et tissus, du bois sec, du caoutchouc, du verre, ainsi que de nombreux liquides, par exemple le kérosène et l'eau chimiquement pure (distillée). Les gaz, dont l'air, sont également des diélectriques.

Bien qu'il n'y ait pas de charges gratuites dans les diélectriques, cela ne veut pas dire qu'ils ne participent pas à phénomènes électriques. Le fait est que dans les diélectriques, il existe des charges liées - ce sont des électrons qui ne peuvent pas se déplacer dans tout l'échantillon d'une substance, mais peuvent se déplacer au sein d'un atome ou d'une molécule.

Comme nous le verrons ci-dessous, cela conduit au fait que les diélectriques influencent considérablement l'interaction des corps chargés : par exemple, ils peuvent l'affaiblir des dizaines de fois.

C'est en raison du déplacement des charges liées que les corps diélectriques non chargés (par exemple des morceaux de papier) sont attirés vers les corps chargés. Nous examinerons cela plus en détail ci-dessous.

4. L’électrification par l’influence

Du fait qu'il existe des charges libres dans les conducteurs, les conducteurs peuvent être chargés sans même les toucher avec des corps chargés. Dans ce cas, les corps sont accusés de charges de signes opposés.

Mettons l'expérience

Relions deux manchons métalliques 1 et 2 posés sur une table en bois avec un conducteur. Ensuite, sans retirer le conducteur, on amène 1 bâton chargé positivement sur le manchon sans toucher le manchon avec (Fig. 49.4, a). Une partie des électrons libres, attirés par la tige chargée, se déplaceront du manchon 2 au manchon 1. En conséquence, le manchon 2 deviendra chargé positivement et le manchon 1 – négativement.

Sans retirer le bâton chargé, on retire le conducteur reliant les manchons (Fig. 49.4, b). Ils resteront chargés et leurs charges seront égales en ampleur, mais de signe opposé.

Vous pouvez maintenant retirer le stick chargé : contrairement aux charges, il restera sur les cartouches.

Cette méthode d’électrification des corps est appelée électrification par influence.

Attention : l’électrification par influence est due à la redistribution des charges. Somme algébrique la charge des corps reste égale à zéro : les corps acquièrent des charges égales en grandeur et de signe opposé.

5. Expliquez en détail comment et pourquoi le résultat de l'expérience décrite changerait si le bâton chargé était d'abord retiré, puis le conducteur reliant les manchons. Illustrez votre histoire avec des dessins schématiques.

6. Expliquez pourquoi dans l'expérience décrite ci-dessus la personne tient la tige métallique reliant le manchon par le manche en bois. Décrivez ce qui se passerait si une personne tenait une tige de métal directement avec sa main pendant cette expérience. Veuillez prendre en compte que corps humain est chef d'orchestre.

5. Pourquoi les corps non chargés sont-ils attirés par les corps chargés ?

Voyons maintenant pourquoi corps non chargés sont attirés par ceux qui sont chargés.

Mettons l'expérience

Rapprochons un bâton chargé positivement du manchon métallique non chargé (Fig. 49.5). Électrons libres les manchons seront attirés par la tige chargée positivement, donc une charge électrique négative apparaîtra sur la partie du manchon la plus proche du bâton, et une charge positive apparaîtra sur la partie la plus éloignée en raison d'un manque d'électrons.

En conséquence, le manchon sera attiré vers le bâton car les charges négatives sur le manchon sont plus proches du bâton.

7. Expliquez pourquoi un manchon métallique non chargé est également attiré par une tige chargée négativement.

Ainsi, un conducteur non chargé est attiré vers un corps chargé ayant une charge de n'importe quel signe, en raison de la redistribution des charges libres dans le conducteur non chargé.

8. La figure 49.6 montre l'interaction des manchons A et B, ainsi que des manchons B et C. On sait que le manchon A est chargé positivement.
a) Peut-on dire que la cartouche B est chargée ? Si oui, quel est le signe de sa charge ?

c) Est-il possible de prédire comment les manchons A et C vont interagir ?

Un diélectrique non chargé est également attiré par un corps qui a une charge de n'importe quel signe. Ceci s'explique par le déplacement des charges liées dans le diélectrique : des charges de signes différents apparaissent à la surface du diélectrique, et des charges de signe opposé sont plus proches du corps chargé. Cela conduit à l’attraction.

Ci-dessous, nous examinerons plus en détail le déplacement des charges liées dans un diélectrique.

6. Le rôle des interactions électriques

L’existence même des atomes est due à l’interaction électrique de noyaux chargés positivement et d’électrons chargés négativement.

L'interaction des atomes et des molécules est également de nature électrique : grâce à elle, les atomes se combinent en molécules, et les corps liquides et solides se forment à partir d'atomes et de molécules. L'interaction électrique des atomes et des molécules neutres est expliquée répartition inégale charge électrique en eux.

Les interactions électriques sont également responsables de nombreux processus dans un organisme vivant. En particulier, la nature des impulsions dans cellules nerveuses, y compris dans les cellules du cerveau.

Les interactions électriques sont plusieurs fois plus intenses que les interactions gravitationnelles. Par exemple, la force de répulsion électrique entre deux électrons dépasse la force de leur attraction gravitationnelle environ 4 * 10 42 fois. Comparé à ceci un grand nombre Même la constante d'Avogadro semble minuscule ! Au § 50 nous vérifierons cette évaluation comparative des forces d'interaction électrique et gravitationnelle.

Mais si l’interaction électrique est si forte, pourquoi la remarquons-nous si rarement autour de nous ?

Le fait est que presque tous les corps qui nous entourent sont électriquement neutres : une énorme charge électrique totale positive noyaux atomiques avec une très grande précision est compensée par le total charge négative des électrons.

Ce n’est que grâce à cette compensation que nous ne remarquons pas à quel point les forces d’interaction électrique sont « cachées » à l’intérieur de la substance.

Cette compensation mutuelle des charges dans les corps qui nous entourent ne signifie pas pour autant que forces électriques ne se manifestent d'aucune façon, par exemple dans phénomènes mécaniques. En fait, nous avons implicitement pris en compte ces forces lors de l’étude de la mécanique.

Comme vous vous en souvenez, en mécanique, trois types de forces sont considérés : les forces gravitationnelles, les forces élastiques et les forces de friction. Deux de ces forces - la force élastique et la force de friction - sont causées par l'interaction des atomes et des molécules qui composent les corps, et l'interaction des atomes et des molécules, comme nous le savons déjà, est de nature électrique.

Questions et tâches supplémentaires

9. Deux manches identiques pendent côte à côte sur des fils de même longueur. Une douille chargée est suspendue au fil rouge et une douille non chargée est suspendue au fil bleu. Quel fil est le plus dévié de la verticale ?

10. Deux manchons métalliques suspendus l'un à côté de l'autre par des fils se repoussent. Comment ces manchons interagiront-ils si vous touchez l’un d’eux avec votre main ?
11. La figure 49.7 montre comment les manchons A et B et les manchons B et C interagissent.
a) Que peut-on dire de l’accusation dans le cas B ?
b) Que peut-on dire de l’accusation dans le cas C ?

12. Une boule de métal léger est suspendue entre deux plaques métalliques verticales dont les charges sont signes opposés(Fig. 49.8). Décrivez ce qui se passera une fois que le ballon touchera l’une des plaques.