УДК 537.21

ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ЗАРЯДОВ В ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ ПОЛЕ

Грачев Виктор Анатольевич
ООО «Регион» (холдинг Федеральный Научно Производственный Центр Алтай г. Бийск)
энергетик

Аннотация
Экранировав крутильные весы Кулона, в опыты вводится третий аргумент: электрическое поле. Заряжая экран и шарики зарядами разных номиналов и знаков, показывается, как меняются силы взаимодействия шариков в электрическом поле экрана. В ходе экспериментов автор доказывает: электрическое поле однородно нет положительного и отрицательного поля зарядов, есть условно нейтральна точка, относительно которой мы и указываем знак заряда и его напряжение. Исходя из однородности поля, делаются определённые выводы, которые подтверждаются простыми и наглядными опытами.

Ключевые слова: электрическое поле однородно, электростатическое взаимодействие зарядов в электрическом поле


THE ELECTROSTATIC INTERACTION OF CHARGES IN AN ELECTRIC FIELD

Grachev Victor Anatolevich
LLC "Region" (Holding «Federal Research Center for Productive» Altai City ​​Bijsk)
Power Engineer

Abstract
Screened Coulomb's torsion balance, in experiments introduced a third argument: the electric field. Charging the screen and the balls charges of different denominations and signs showing how to change the interaction forces of balls in the electric field of the screen. In the author's experience proves that the electric field is uniform. None of the positive and negative charges of the field. There are relatively neutral point. With respect to which we have given the sign of the charge and its voltage. Based on the homogeneity of the field, made ​​certain findings, which are supported by simple and intuitive experiences.

Keywords: the electric field is uniform, The electrostatic interaction of charges in an electric field


Рубрика: Физика

Библиографическая ссылка на статью:
Грачев В.А. Электростатическое взаимодействие зарядов в электрическом поле // Исследования в области естественных наук. 2013. № 7 [Электронный ресурс]. URL: http://science.snauka.ru/2013/07/5289 (дата обращения: 26.01.2017).

Часть 1

В электростатике рассматриваются два заряда условно названых положительным и отрицательным. Взаимодействие зарядов объясняется тем, что каждый из них окружен его электрическим полем. Из этого можно сделать вывод: есть электрическое поле отрицательное и положительное, что противоречит закону сохранения энергии. Электрическое поле энергия, а энергия не может быть разнородной (положительной и отрицательной). В законе Кулона не хватает третьего аргумента, (электрического поля). Взаимодействие зарядов происходит в электрическом поле. Рассмотрим это взаимодействие.

Вернёмся к весам Кулона. Мы их модернизируем, для контроля трёх составляющих сил взаимодействия. Нововведение простое, это экранирование крутильных весов Кулона. Обычно экраны заземляют, но здесь будем и заряжать, что впервые применяется в экспериментах. Заряжая экран, мы меняем во внутреннем объёме весов Кулона характеристику напряженности электрического поля: электрическую постоянную. Электрическая постоянная вакуума, как известно была переименована из диэлектрической постоянной вакуума. Переименование не изменило сущности этой характеристики, она как была диэлектрической постоянной, так и осталась ею.

Опыт № 1. Эквипотенциальные заряды. Система нейтральна, шарики, экран не заряжены, расстояние r между шариками 10 диаметров шарика, сил взаимодействия нет. Зарядим экран. Между шариками возникла сила отталкивания, подчеркнём они по-прежнему, нейтральны. Заряжая экран зарядами от Е1 до Е10, потенциал зарядов относительно N0 или заземления, в киловольтах указан в таблице 1, построим графическую характеристику сил Кулона. По оси Х будем указывать напряжение заряда экрана (шарики нейтральны, заземлены на всём протяжении опыта), по оси Y угол (в градусах) на который нужно повернуть головку весов для возвращения подвижного шарика в исходную точку, r const. рис 1. На графике мы получили линию N0.A. для положительных зарядов, и линию N0.В. для отрицательных. Опыт № 2 заряжая эквипотенциально шарики зарядами от Е1
до Е10
(экран нейтрален, заземлён на всём протяжении опыта) построим графическую характеристику. Получаем те же линии N0.A. и N0.В. характеристики совпадают полностью.

То есть не важно, что заряжать экран или шарики. Заряжая экран в опыте №1, нейтральные шарики отталкиваются с силами, подчиняющимися закону Кулона, так же как и в опыте №2 .

Рис.1- характеристика сил Кулона для эквипотенциальных зарядов.

Таблица 1 - Потенциалы зарядов относительно N0 или заземлния.

Е1 Е2 Е3 Е4 Е5 Е6 Е7 Е8 Е9 Е10 Е11 Е12 Е14 Е16 Е18
кВ 0,4 0,8 1,2 1,6 2 2,4 2,8 3,2 3,6 4 4,4 4,8 5,6 6,4 7,2

Опыт № 3 построим ещё одну характеристику зарядив экран зарядом +Е8 обозначим точку на оси Х как N1 const, (то есть экран будет иметь заряд +3.2 киловольта на всём протяжении опыта), будем заряжать шарики зарядами от -Е2 до +Е18 . Здесь мы получаем две линии N1.C. и N1 D., которые тождественны линиям N0. A. N0. В. со смещением по координате Х равным +Е8.

Из графика видно в построении лини N1.C. участвуют заряды -Е2, -Е1, N0, +Е1, +Е2, +Е3, +Е4, +Е5, +Е6. +Е7. +Е8. Подчеркнём мы используем именно те номиналы напряжений которые указаны в таблице № 1, но относительно N1 напряжение этих зарядов -Е2= -4 кВ, -Е1=-3.6 кВ, в точке N0=-3.2 кВ, мы заземляем шарики. Заряды +Е1=-2.8 кВ +Е2=-2.4 кВ, +Е4= -1.6 кВ, +Е6= -0.8 кВ, имеют отрицательные потенциалы относительно точки N1. Заряд +Е8=0, и соответственно уменьшаются потенциалы зарядов +Е9=+0.4 кВ, +Е10=+0.8 кВ, +Е12=+1.6 кВ, и.т.д. Отметим, зарядив зарядом Е8 экран и шарики (экран и шарики эквипотенциальны или можно сказать нет разности потенциалов) мы имеем нейтральную систему (сил взаимодействия нет), опровергается утверждение: «электрическое поле существует, если существует разность потенциалов» мы знаем экран и шарики заряжены, а значит, поле есть. Можно сказать: «если нет разности потенциалов, система нейтральна».

Опыт № 4. Заряды разноимённые, равные по модулю. Зарядим один шарик -Е4 - 1,6 кВ, второй +Е4 +1,6 кВ (относительно нейтральной точки между собой же 3,2 кВ) экран нейтрален N0. Отметим на оси Y угол (в градусах) на который нужно повернуть головку весов точка F, для компенсации сил притяжения и возвращения подвижного шарика в исходную точку, r const. Заряжая экран зарядами Е1 Е2
и.т.д., построим графическую характеристику сил Кулона рис 2. Мы получили две линии F.М. для отрицательных зарядов и F.М1. для положительных. Из графика видно, что в точке M и М1 сила притяжения меняет своё направление на силу отталкивания, подчеркнём заряд шариков Е4 для одного
-1,6 кВ и +1,6 кВ для другого относительно N0 (нейтральная точка, заземление), const на всём протяжении опыта. Из опыта видно, как разноименные заряды стали одноименными не меняя своих зарядов, при изменении напряжения поля окружающего их пространства.
Здесь также наблюдается расхождение с законом Кулона. Потенциал между зарядами 3.2 кВ., но равенство по модулю -1.6 кВ. и +1.6 только в начале опыта, когда экран заземлён. При подаче напряжения на экран заряды во внутреннем пространстве весов теряют модульность. Пример: заряд экрана -Е3=-1.2 кВ, это значит относительно внутреннего пространства заряженного экрана потенциал зарядов равен отрицательного шарика -0.4 кВ, положительного + 2.8 кВ. Силы притяжения шариков становятся слабее, но не строго по закону Кулона. В точке С отрицательный заряд экрана равен отрицательному шарику (эквипотенциальны) , С1 соответственно положительному, но шарики притягиваются с силой F1. Более подробно это будет рассмотрено ниже.

Рисунок 2-- характеристика сил Кулона для разноимённых зарядов.

Данные опыты меняют наше представление о разноимённости зарядов. Электрическое поле однородно, силы взаимодействия зарядов (притяжение или отталкивание) определяются уровнем напряжения этих зарядов относительно поля и относительно друг друга. В опыте №1 электрически нейтральные шарики начинают отталкиваться как одноимённо заряженные (подчиняясь при этом закону Кулона), при изменении напряжённости поля окружающего их пространства. В опыте №3 одноимённо заряженные шарики нейтральны друг другу в эквипотенциальном им поле. В опыте №4 разноимённые шарики начинают отталкиваться в поле, напряженность которого больше или меньше относительно них.

Электрическое поле это энергия, как и тепловая энергия, а двух видов (отрицательной и положительной) одной и той же энергии быть не может (противоречит закону сохранения энергии). В электростатике нет понятия абсолютного нуля. За нулевую точку отсчёта принято нейтральное тело или земля, заземление и соответственно электрическое поле окружающего нас пространства. Однако как видно из выше проведенных опытов нейтральное состояние это эквипотенциальное напряжение поля зарядов: напряжению электрического поля. Напряженность и знак электрического поля зарядов указывается относительно нейтрального тела, по аналогии тепловой энергии (шкала Цельсия, например) можно сказать, что есть: условно нулевая или условно нейтральна точка относительно которой мы и указываем знак заряда и его напряжение. В электростатике возможно введения понятия абсолютного нуля, тогда возможно будет указать напряженность электрического поля (электрической постоянной) и зарядов в абсолютных величинах относительно абсолютного нуля. Нужно отметить, что
электрическая постоянная или напряженность электрического поля окружающего нас пространства стремится быть константой. Как видно из опытов, заряжая или разряжая экран (производя работу) мы меняем константу (электрическую постоянную). И именно это стремление к константе и определяет силы взаимодействия зарядов.

Итак; мы имеем условно отрицательный заряд, условно нейтральное тело, условно положительный заряд. Как видим из опытов нейтральное состояние не является нулевым потенциалом (абсолютным нулём), рассмотрим термин нейтральный. Нейтральное тело – это тело, в котором количество отрицательных элементарных зарядов равно количеству положительных.
Считается, что если сложить два разноименных заряда они скомпенсируют, друг друга и получится ноль.
Да заряды разные, но мы не знаем по каким критериям они разные. Разделение на положительные и отрицательные заряды условно, возможно не нужно воспринимать это буквально как (+1) + (-1)=0 (к тому же это противоречит закону сохранения энергии, нельзя одну энергию уничтожить другой и получить ноль.) Это выражение верно в электродинамике. Вспомним, что элементарные частицы обладают не только корпускулярными, но и волновыми свойствами. Логично предположить, что напряженность электрического поля элементарных частиц имеет волновую природу (а именно стоячие волны). Тогда возможно напряженность электрического поля элементарной частицы является волнообразной энергией, а сложение волн отличается от сложения чисел. Сложение волн с разной длиной даёт среднее значение как (+1) + (-1)=N. Если принять, что нейтральная частица имеет среднее значение между отрицательным и положительным зарядом, то сила Лоренца действующая на движущийся нейтральный заряд в магнитном поле равна нулю. В современной физике считается, частица не возбуждающая магнитного поля при движении не имеет электрического поля, что как видим не совсем верно. Из опыта № 2 видно, что эквипотенциальные заряды не взаимодействуют с друг другом и с эквипотенциальным им полем. И как следствие можно сделать вывод, что нейтральное тело имеет электрическое поле эквипотенциальное электрическому полю окружающему его пространства. Здесь также поднимается вопрос об эфире. Придав нейтральному состоянию нулевое значение, в расчётах Максвелла, а затем и Эйнштейна магнитному полю не нужна среда, но электрическое поле и есть та среда, в которой движущийся заряд создаёт волны возмущения, которые мы называем: магнитным полем.

Часть вторая

Вернемся к нейтральному заряду. То, что нейтральные тела притягиваются заряжёнными телами, факт общеизвестный. Даётся объяснение, что нейтральное тело может зарядится просто под влиянием другого близко расположенного заряженного тела. Этот метод зарядки тела называется электризационым влиянием, а заряд приобретенный телом,- наведённым, или индуцированным. Однако из опыта №1 видно, что заряжая экран шарики оставаясь нейтральными отталкиваются с силами подчиняющимися закону Кулона, в опыте № 4 один из шариков нейтрален в точке С, а сила притяжения равна F1 это объяснение уже не столь убедительно. Поставим опыт на обычном школьном электроскопе имеющем металлический корпус, поставив его диэлектрическую подставку. Подадим заряд на корпус и будем его удерживать, стрелка покажет взаимодействие, по истечению какого-то времени сила взаимодействия будет ослабевать, пока совсем не станет нулевой. Произошло наведение или индицирование зарядов от корпуса. Снимем заряд с корпуса заземлив его. Возникла сила взаимодействия, наведенные заряды остались на частях электроскопа.

Как выше было показано, нейтральный заряд имеет электрическое поле. Построим графическую характеристику сил Кулона, для нейтрального (заземленного) шарика и заряженного шарика на рис.3 линия В. там же дана линия А. для разноименных но равных по модулю зарядов. Заряды шариков указаны относительно друг друга см. таб. 1. Из графика видно обе линии имеют нелинейность вначале построения. Но на прямолинейных участках обе линии подчиняются закону Кулона, линия А строго, а линия В с коэффициентом 0,5 (для данного опыта). То есть при равном напряжении между шариками сила притяжения между нейтральным и заряженным шариком в два раза меньше силы притяжения разноимённых шариков. Здесь возникает вопрос, почему всё таки заряженный шарик притягивается к нейтральному шарику, если напряженность поля тоже нейтральна (т. е. нейтральный шарик эквипотенциален полю). Ответ да уровень напряженности равен, но в шарике гораздо больше зарядов создающих электрическое поле вокруг него, чем в самом поле. Здесь можно ввести термин энергоёмкость поля. То есть можно сказать при равном напряжении, (потенциале) шарика и поля энергоёмкость поля шарика больше энергоёмкости электрического поля (электрической постоянной). Поясню мысль на примере тепловой энергии: температура (потенциал), тела и среды равна, теплоёмкость (энергоёмкость) разная.

Рисунок 3- характеристика сил притяжения нейтрального и заряженного линия В, и разноименных , равных по модулю шариков линия А.

Опыт который отвечает на самый главный вопрос, который возникает к силам Кулона. Назовём его: «электростатическая модель ядра атома». Шесть шариков подвешены на медной проволоке диаметром 0.2 мм. на высоте около метра. Автор использовал от настольного тенниса, в проделанное отверстие шариков вставил ту же проволоку на которой они висят, (метра два, внутри получилась путанка) заклеил отверстие. При подаче напряжения на провод шарики заряжаются изнутри, а с наружи они диэлектрические. Шарики в горизонтальной плоскости образуют углы шестигранника фото 1. Три шарика по диагонали заземляются, на три других подаются заряды, при подачи заряда фото 2. шарики притягиваются друг другу, и остаются в таком положении, пока заряды не будут сняты. Три из них нейтральны, а три одноимённо заряжены .

 

Фото 1                                Фото 2

Как здесь видно: приняв то, что нейтрон имеет электрическое поле, в теории взаимодействия нуклонов, можно ограничиться силами Кулона, необходимость в мезонах отпадает.

Подведем предварительный итог: 1 Закон Кулона верен для эквипотенциальных или равных по модулю покоящихся точечных электрических зарядов, размеры которых малы по сравнению с расстоянием между ними. Когда заряды не эквипотенциальны или не равны по модулю наблюдается расхождение с законом Кулона. Элементарные частицы эквипотенциальны или равны по модулю, наверное поэтому не возникало сомнений
2. Электрическое поле однородно нет положительного и отрицательного поля зарядов (хотя эти выражения очень удобны, и мы будем ими пользоваться ) 3.Напряжение электрического поля (электрическая постоянная ) имеет среднее значение между протоном и электроном и равна нейтрону. Именно поэтому нейтрон не возбуждает магнитного поля при движении в электрическом поле. 4. Введя в электростатику понятие абсолютного нуля, мы сможем указать в абсолютных величинах на шкале напряжения положение электрической постоянной, и нейтрона (так называемой нейтральной точке), положение элементарной частицы имеющий меньший уровень напряженности (предположительно протон), и больший уровень напряженности (предположительно электрон), которые равно удаленны от нейтрона.



Все статьи автора «Грачев Виктор Анатольевич»


© Если вы обнаружили нарушение авторских или смежных прав, пожалуйста, незамедлительно сообщите нам об этом по электронной почте или через форму обратной связи.

Связь с автором (комментарии/рецензии к статье)

Один комментарий к “Электростатическое взаимодействие зарядов в электрическом поле”

  1. 03.08.2013 в 07:42

    P. S. Выражение: стремится к константе, поясним на примере атмосферного давления. Стремление атмосферного давления быть константой (разумеется, на определенном уровне от поверхности), обуславливается тремя основными факторами: Силой притяжения планеты (гравитация), количество газа которым обладает планета, упругостью газа. Что обуславливает электрическую постоянную? Возможно тоже: тяготение, количество, упругость. Но в масштабах вселенной. Впрочем про любую константу, можно сказать, что её обуславливают определённые факторы.
    Атмосферное давление подвержено перепадам, как и электрическое поле. Грозовые явления и есть следствие перепадов напряженности электрического поля.

Оставить комментарий

Вы должны авторизоваться, чтобы оставить комментарий.

Если Вы еще не зарегистрированы на сайте, то Вам необходимо зарегистрироваться: