Место электродинамики в физике
Электродинамика — раздел физики, в котором изучаются свойства и закономерности заряженных тел и частиц, а также действия на них со стороны электромагнитного поля.
В электродинамике можно выделить 4 подраздела:
- электростатика;
- постоянный ток;
- магнетизм;
- электромагнитные колебания.
В кодификаторе ЕГЭ оптику также рассматривают как подраздел электродинамики, но мне кажется, что её разумнее отнести к самостоятельному разделу.
Электростатика как раздел электродинамики
Электростатика — подраздел электродинамики, который изучает взаимодействие покоящихся заряженных тел.
Электрический заряд — величина, определяющая силу электромагнитного взаимодействия.
В природе существуют два типа зарядов — положительные и отрицательные.
Заряды взаимодействуют между собой. Одноимённые заряды отталкиваются, а разноимённые — притягиваются.
Соберём экспериментальные установки, состоящие из двух нитей и расположенных на них одноимённо заряженных шариков:
В обоих опытах шарики отталкиваются друг от друга, так как они заряжены одноимённо.
Если зарядить шарики разноимённо, то они будут притягиваться друг к другу:
Самым маленьким в природе зарядом обладает электрон, этот заряд называют элементарным. Модуль заряда электрона $e = 1,6 \cdot 10^{-19} \text{ Кл}$. Эта величина является неделимой, поэтому заряд любого тела кратен заряду электрона. Таким образом, тело с зарядом $2 \cdot 10^{-19} \text{ Кл}$ существовать не может.
Если тело имеет одинаковое количество отрицательных и положительных зарядов, то суммарный заряд равен нулю. В таком случае тело является нейтральным.
Любое тело имеет в своём составе и протоны, и электроны, то есть и положительные и отрицательные заряды. Заряд тела определяется избытком или недостатком электронов. Например, если у шара есть 4 электрона и 3 протона, то шар заряжен отрицательно.
Электризация тел
Диэлектрики — это материалы, не проводящие электрический ток в обычных условиях.
Диэлектрики способны накапливать электрический заряд. В зависимости от материала знак заряда изменяется.
Для измерения величины заряда используют электроскоп.
В качестве примера используем эбонитовую палочку и кусок шерсти. Если потереть палочку о шерсть, то эбонитовая палочка приобретёт отрицательный заряд а шерсть положительный. При касании палочкой электроскопа, его стрелка отклонится.
Изначально шерсть и эбонитовая палочка электронейтральны. При трении их друг о друга, на эбонитовую палочку перетекают электроны, то есть создаётся их избыток,в результате чего она приобретает отрицательный заряд. В то же время у шерсти появляется недостаток электронов, и она приобретает положительный заряд.
Возьмём стеклянную палочку и шёлк, оба тела изначально нейтральны. Потрём палочку о шёлк, в результате чего стеклянная палочка приобретёт положительный заряд, а шёлк — отрицательный. При касании палочкой электроскопа, его стрелка также отклонится.
Рассмотрим два электрометра, заряженных равными по модулю, но противоположными по знаку зарядами. При соединении шаров электрометров проводником, они обмениваются зарядами и разрядятся, то есть стрелка отклонится в начальное положение.
Такой результат объясняется законом сохранения заряда.
Закон сохранения электрического заряда
Закон сохранения заряда — в изолированной системе сумма зарядов остаётся постоянной при любых взаимодействиях заряженных тел.
Следовательно, если изначально в изолированной системе находились два заряда q₁ и q₂, то сумма зарядов остаётся постоянной:
$q_1 + q_2 = const$
Если эти заряды привести в соприкосновение, а затем раздвинуть, заряды станут равны q₁’ и q₂’ , но их сумма остаётся неизменной.
$q_1 + q_2 = q’_1 + q’_2$
Запишем закон сохранения заряда в общем виде:
$q_1 + q_2 + \dots + q_n = q’_1 + q’_2 + \dots + q’_n$
Чаще всего в ЕГЭ по физике в качестве носителей заряда используются материальные точки.
Точечный заряд — заряженное тело, размеры которого гораздо меньше расстояния до других тел, с которыми оно взаимодействует.
Пример решения задания ЕГЭ
Задание 1
Два одинаковых электрометра А и Б, шары которых заряжены, изображены на рисунке. В первом опыте электрометры соединяют деревянной линейкой, во втором — медной проволокой. Выберите все утверждения, соответствующие данным этих опытов.
- Во втором опыте показания электрометров останутся прежними.
- В первом опыте показания электрометров останутся прежними.
- Во втором опыте шар электрометра Б станет положительно заряженным.
- Во втором опыте шары обоих электрометров будут иметь одинаковый заряд.
- В первом опыте линейка приобретает заряд, отличный от нуля.
- Медь является проводником электрических зарядов. После соединения электрометров медной проволокой их заряды изменятся и станут равны: $2q_0 = 3q − 2q; \ 2q_0 = q \Rightarrow q_0 = \frac{q}{2} > 0$ — неверно.
- Дерево является диэлектриком и не проводит электрические заряды. После соединения электрометров деревянной линейкой их заряды не изменятся — верно.
- Ранее доказали это — верно.
- Это действительно так — верно.
- Выше доказали обратное — неверно.
Ответ: 234.
Авторы:
Саня Эбонит, преподаватель «100балльного репетитора» по физике ЕГЭ;
Кир Синюткин, методист “100балльного репетитора” по физике ЕГЭ
