чему он равен и что гласит закон сохранения заряда

Трудно представить жизнь современного человека без электричества. Можно с уверенностью сказать, что отсутствие электроэнергии – это неприятно для любого человека, который живет в цивилизованном обществе. Однако далеко не всегда люди имели возможность использовать электричество даже для подпитки обычных ламп накаливания. Что представляет собой и может ли существовать электрический заряд без материального носителя.

Оглавление

• Когда изобрели электричество?
• Определение
• Свойства
• Виды электрозарядов
• Как происходит заряжение макроскопического тела
• Закон сохранения электрического заряда
• Как используют ионизацию в медицине и в повседневной жизни
• Полезное видео
• Подведем итоги

Когда изобрели электричество?

Назвать точную дату изобретения тока достаточно проблематично. И причиной этого является повышенный интерес со стороны множества ученых, которые в свое время делали различные предположения и пытались совершить эпохальное открытие.

Впервые заговорил об электричестве В. Гильберт. В те годы он занимал должность лейб-медика и служил при английском дворе. Он придумал термин «электричество».

В 1600 году доктор даже издал книгу, в которой пытался объяснить некоторые явления и высказал мысль, что в скором времени станет возможным использование тока, но до конца разработать простую и понятную теорию ему не удалось. Его дело продолжил Б. Франклин, который в 1750 году опубликовал готовую теорию.

Интересно! В 1771 году электрический ток впервые наблюдала супруга знаменитого ученого Л. Гальвани, поэтому второе название электричества – гальванический ток. И только в 1791 году А. Вольта впервые сумел объяснить это загадочное явление. В этот период вышла книга Л. Гальвани, в которой ученый рассказал о своих наблюдениях.

Определение

Электрический заряд – это величина, которая характеризует определенные свойства частиц. Измеряется электрический заряд в Кулонах. С помощью его удается понять, какое значение силы и энергии образуется при взаимодействиях.

Свойства

Чтобы ответить на вопрос, как найти электрический заряд, необходимо сперва определиться с его свойствами.

Выделяются три признака:

• инвариантность,
• дискретность,
• аддитивность.

Инвариантность – это свойство было установлено с помощью проведенных экспериментов. Оно означает, что скорость движения не имеет никакого влияния на его величину.

Аддитивность указывает на то, что заряд системы равен сумме зарядов ее тел. Дискретность означает, что производить увеличение допустимо только на кратную величину.

Фундаментальным свойством принято считать подчинение закону о сохранении.

Виды электрозарядов

Важно! Различают два вида: положительные и отрицательные. Одинаковые отталкиваются друг от друга, а разные притягиваются. Измеряют эти виды одной единицей измерения.

Преподаватели физики часто демонстрируют ученикам школы один эксперимент. Если взять наэлектризованную стеклянную палочку и янтарную, то они притянутся друг другу. Объяснить это можно легко. В данном случае стекло представляет собой положительный заряд, а янтарь – отрицательный.

На основе опыта, описанного выше, ученым удалось сделать важное открытие. Поскольку удалось выяснить, что при подобных условиях заряд электрона является отрицательным. Примечательно, что в переводе с греческого языка слово «электрон» обозначает янтарь.

Как происходит заряжение макроскопического тела

Для того чтобы определить, как заряжено тело, необходимо произвести определенные вычисления. При этом учитывается заряд всех элементарных частиц. Чтобы произвести зарядку этого тела, следует изменить количество элементарных частиц, уже имеющих определенный заряд.

Сделать это можно, если добавить определенное количество заряженных частей, то есть добавить или удалить определенное количество зарядов, имеющих один знак. Единица электрического заряда при этом останется неизменной.

Тело будет считаться заряженным при определенном условии: будет содержать достаточно большое количество зарядов, которые относятся к положительному или отрицательному знаку. Обычно этот избыток обозначают буквой Q. Однако это условие исполнимо, если они размещаются на так называемых точечных телах.

Закон сохранения электрического заряда

После многочисленных исследований и опытов удалось установить.Закон сохранения заряда, который гласит, что суммарное заряжение частиц может быть полностью сохранено в условиях существования замкнутой цепи.

Более того, независимо от физических процессов, которые происходят непосредственно внутри этой цепи, заряд всегда остается неизменным или постоянным.

Сразу стоит отметить, закон является справедливым исключительно в отношении полностью изолированных систем. Иными словами, в этих системах частицы нельзя ни вносить, ни удалять. Взаимодействие электрических зарядов является четко зафиксированным.

Это интересно! Описанный выше закон можно применить и по отношению к элементарным частицам, но только при определенном условии. Под этим условием подразумевается то, что элементарные частицы были рождены парами, у которых суммарное значение равняется 0. Кроме того, эти частицы должны быть аннигилируемы такими же парами.

Как используют ионизацию в медицине и в повседневной жизни

Отрицательные ионы представляют ценность не только для ученых, изучающих физику. Доктора уже давно заметили, что эти частицы способны оказывать положительное воздействие на человеческий организм.

С их помощью можно:

• усилить потребление кислорода;
• улучшить всасываемость кислорода клетками;
• ускорить процесс транспортирования воздуха к клеткам;
• ускорить такой важный процесс как окисление серотонина.

Такое комплексное воздействие является крайне положительным, ведь на фоне этого воздействия у человека существенно улучшается общее состояние, повышаются защитные свойства иммунной системы, устраняются болевые ощущению при условии развития в организме воспалительных и других негативных процессов.

Наиболее известным прибором, который использовал для работы эти ионы, была лампа Чижевского. Величина электрического заряда была такова, что оказывала положительное воздействие на организм больных людей.

Аппарат был назван в честь ученого, который его изобрел. Именно этот выдающийся деятель науки первым заметил, что ионы способны положительно воздействовать на состояние здоровья человека.

Если говорить о том, как именно ионы используются в быту, то необходимо вспомнить о таких полезных приборах, которые довольно часто используются: пылесос, увлажнители воздуха, фены, сушилки для белья. Согласитесь, что без них жизнь человека не была бы такой комфортной и приятной.

Полезное видео

Подведем итоги

В природе не может существовать электрического заряда, который возникает сам по себе. Определение его величины представляет собой сложный процесс, благодаря которому удается понять, как именно происходит зарядка определенных частиц.

Физики уточнили максимальное значение заряда нейтрона

Исследователи из Франции и Германии измерили заряд ультрахолодных нейтронов, помещая их в сильное электрическое поле и заставляя отражаться от цилиндрического зеркала. В результате физики получили значение q ≈ (−0,3 ± 3,7) × 10⁻²⁰e, которое сравнимо с другими экспериментами по определению заряда нейтрона и может быть легко уточнено в дальнейшем. Статья опубликована в Physical Review D.

В рамках школьного курса физики учат, что электрический заряд квантуется. Другими словами, заряд любой элементарной частицы и любого физического тела вообще должен быть кратен вполне определенному значению, равному одной трети от заряда электрона. При этом наименьшим возможным зарядом обладают кварки, которые не могут существовать в виде свободных частиц из-за конфайнмента, поэтому для удобства квантом электрического заряда можно считать заряд электрона, примерно равный e = −1,6 × 10⁻¹⁹ кулонов. 

Тем не менее, до сих пор физики не вполне понимают, с чем связано такое поведение. В 1948 году Поль Дирак предложил объяснить этот эффект, вводя в теорию магнитные монополи, однако ни в квантовой электродинамике, ни в Стандартной модели, нет механизмов, которые должны вызывать квантование заряда. Поэтому некоторые ученые считают, что в действительности заряд может меняться непрерывно, и проводят эксперименты по поиску таких изменений. В частности, наиболее чувствителен к таким изменениям будет нейтрон, который в обычных условиях зарядом не обладает, а потому не может вступать в электрические взаимодействия, — однако при отсутствии квантования частица может приобрести небольшой заряд, который удастся измерить на практике. На данный момент различные эксперименты ограничивают заряд нейтрона величиной порядка q ~ 10⁻²⁰e.

В этой статье группа ученых под руководством Кристиана Плонка (Christian Plonka) приводит результаты нового измерения заряда нейтрона, точность которого немного превышает точность предыдущих экспериментов. Чтобы измерить заряд, исследователи накладывали на систему внешнее электрическое поле и следили, как пучок ультрахолодных нейтронов — нейтронов с энергией не выше 300 наноэлектронвольт, то есть со скоростью не больше 7,6 метров в секунду — отражается от цилиндрического зеркала. Если бы частицы действительно имели небольшой электрический заряд, поле изменяло бы их траекторию, причем немного по-разному для частиц, отраженных от зеркала под различными углами. Поэтому по величине отклонений можно судить о величине заряда нейтронов.

Предложенная физиками схема экспериментальной установки выглядела следующим образом. Полученные на установке PF2 Института Лауэ-Ланжевена в Гренобле ультрахолодные нейтроны запускались в установку вдоль ее оси, отражались от зеркала, возвращались и регистрировались детектором, расположенным поблизости от точки запуска. Из-за небольшой скорости на движении частиц сказывалась сила притяжения Земли, а потому исследователи налили внизу установки масло (liquid Fomblin), которое отражало вверх падающие нейтроны. Наконец, ученые накладывали на систему электрическое поле напряженностью около миллиона вольт на метр, и периодически изменяли его направление каждые 200 секунд, чтобы исключить систематические ошибки, которые приводили бы к смещению распределения зарегистрированных нейтронов. Кроме того, ученые откалибровали установку, прежде чем проводить измерения, чтобы снизить влияние фоновых частиц.

В результате после 840 циклов измерений исследователи получили, что среднее отклонение нейтронов составляет примерно Δx ≈ −5 ± 1 микрон, что отвечает заряду не более q ≈ (−2 ± 1) × 10⁻¹⁹e. Это ограничение оказалось слабее результатов предыдущих экспериментов. Тем не менее, в дальнейшем ученые заметили, что на это значение оказывают влияние систематические погрешности, возникающие из-за того, что при наложении сильного электрического поля свойства масляного зеркала изменяются, и это приводит к дополнительному горизонтальному смещению отраженных от поверхности частиц. Оценивая величину этого эффекта и учитывая его при обработке данных, ученые получили более точное ограничение на величину заряда нейтрона, которое составило примерно q ≈ (−0,3 ± 3,7) × 10⁻²⁰e. При этом чувствительность установки примерно равна δq ≈ 1 × 10⁻²¹e и должна повышаться со временем как корень квадратный от числа измерений, что позволяет в будущем получить гораздо более точный результат.

Помимо исследований нейтронов, физика часто пытаются найти «новую физику», измеряя параметры протона и антипротона – например, массу или магнитный момент. В некоторых случаях такие измерения действительно приводят к неожиданным результатам: так, в июне 2010 года выяснилось, что радиусы протона, измеренные различными методами, отличаются на целых четыре процента, что противоречило Стандартной модели и поставило под сомнение «бесконечную точность» квантовой электродинамики. Впрочем, некоторые ученые списывают это расхождение на неучтенные особенности экспериментальной установки, которые исказили результаты.

Дмитрий Трунин

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.

Что такое электрический заряд и как работает электричество

В этой лекции мы узнаем, что такое электрический заряд и ток и как работает электричество. Вы можете посмотреть следующее видео или прочитать письменный учебник ниже.

Структура атома

Чтобы понять электричество, нам нужно начать с атома. Материя состоит из атомов. Мы сделаны из атомов. Все во Вселенной состоит из атомов.

Атом нельзя увидеть невооруженным глазом, поэтому мы будем использовать упрощенную модель, которая поможет нам понять структуру атома. Это называется моделью Бора.

В центре атома находится ядро, состоящее из нейтронов, не имеющих заряда, и протонов, имеющих положительный заряд. Кроме того, вокруг ядра вращаются отрицательно заряженные электроны.

Количество нейтронов, протонов и электронов в атоме может сказать нам, из какого материала он состоит.

Оболочки

Протоны и нейтроны расположены в центре атома, а электроны циркулируют вокруг ядра в постоянном движении.

Электроны намного легче протонов в ядре, и они могут очень легко двигаться почти со скоростью света.

Они движутся вокруг ядра по круговым орбитам или оболочкам. Каждая оболочка может содержать только определенное количество электронов: первая оболочка может содержать 2 электрона, вторая оболочка — 8 электронов, третья оболочка — до 18 и так далее.

Оболочки заполнены электронами изнутри наружу. Количество электронов на последней внешней оболочке определяет реакционную способность атома или его склонность к образованию химических связей с другими атомами. Когда эта оболочка заполнена, атом стабилен и наименее реактивен.

Внешняя оболочка известна как валентная оболочка, а находящиеся в ней электроны называются валентными электронами. Некоторые материалы в этой оболочке имеют слабо связанные электроны, что позволяет им перетекать от одного атома к другому.

Проводники и изоляторы

Эти движущиеся электроны называются свободными электронами. Насколько легко электронам двигаться, зависит от материала.

Материалы могут быть либо проводниками, либо изоляторами. Материалы, являющиеся проводниками, как и большинство металлов, позволяют свободным электронам свободно перемещаться по твердому телу, в то время как изоляторы, такие как пластик или стекло, ограничивают движение электронов, крепко удерживая их.

См. также: Как работает конденсатор. Физика конденсаторов и применение

Электрический заряд

Как правило, атомы имеют нейтральный заряд, что означает, что они имеют одинаковое количество электронов и протонов. Другими словами, они имеют суммарный электрический заряд, равный нулю. Это самый низкий возможный энергетический уровень атома, или так называемое основное состояние.

Однако мы можем изменить заряд атома, заставив его приобретать или терять электроны. Если атом получает электроны, он становится отрицательно заряженным, и наоборот, если атом теряет электроны, он становится положительно заряженным. Заряженный атом называется положительным или отрицательным ионом.

Статическое электричество

Например, когда вы волочите ноги по ковру, вы создаете много поверхностных контактов между вашими ногами и ковром, позволяя электронам передаваться вам, тем самым создавая статический заряд на вашей коже.

Вместо того, чтобы вы и ковер имели нейтральный заряд, создается дисбаланс зарядов между вами как проводником и ковром как изолятором.

Затем, когда вы прикасаетесь к металлической дверной ручке, весь заряд хочет покинуть вас и перейти к дверной ручке, чтобы восстановить дисбаланс заряда. Поэтому вы получаете шок, когда электроны покидают вас.

Природа всегда стремится к равновесию, нейтральному равновесию заряда или нулевому суммарному заряду. Во время этого процесса мы не создавали новые заряды. Общий заряд между объектами по-прежнему равен нулю.

Это приводит нас к закону сохранения электрического заряда, который гласит, что вы не можете создать чистый электрический заряд, вместо этого заряд может только перемещаться из одного места в другое.

Электрический заряд на самом деле является наиболее важным свойством протонов и электронов.

Заряд обозначается «q», а единицей заряда является кулон. Объекты могут быть заряжены положительно или отрицательно, поэтому «q» может иметь как положительные, так и отрицательные значения.

Заряд отдельного электрона или протона известен как элементарный заряд и обозначается строчной буквой «е». Протоны имеют положительный заряд е, а электроны отрицательный е.

Электрический ток

Поток электронов формирует электрический ток.

Если мы заглянем внутрь куска медной проволоки, то увидим атомы, которые легко обмениваются электронами. Эти электроны способны перемещаться от одного атома к другому в любом направлении. Если мы создадим замкнутую цепь, соединив медный провод с источником питания, например, с батареей, то напряжение заставит электроны двигаться в том же направлении, от одного вывода батареи к другому или от отрицательного к положительному. плюс источника питания.

В замкнутой цепи напряжение заставляет электроны двигаться в одном направлении, от отрицательного к положительному выводу батареи.

Если мы добавим лампочку в замкнутую цепь, электронам придется пройти через нее, чтобы добраться до другого вывода, производя таким образом свет.

Электрический ток — это движение электрического заряда в проводе в течение определенного периода времени. Символ электрического тока I.

Один кулон заряда, проходящий через кусок провода за одну секунду, равен одному амперу тока. Ампер – это единица измерения электрического тока.

Это все для этого урока. В следующем уроке по базовой электронике мы поговорим о законе Кулона.

Надеюсь, вам понравился этот урок и вы узнали что-то новое. Не стесняйтесь задавать любые вопросы в разделе комментариев ниже.

Электрический заряд

Если потереть два материала друг о друга, иногда они приобретают противоположный заряд. Этот эффект дольше сохраняется в сухую погоду, потому что вода в воздухе позволяет зарядам вернуться в равновесие.

Эксперимент: Попробуйте потереть воздушный шар о волосы, а затем поднести его к пустой банке из-под газировки. Вам настоятельно рекомендуется устроить гонку между двумя банками с газировкой на воздушном шаре.

Эксперимент: Попробуйте склеить две полоски скотча вместе и быстро разъединить их. Теперь полоски должны быть заряжены противоположно. Когда вы приближаете их друг к другу, они должны притягиваться.

Попробуйте повторить эксперимент еще раз, чтобы сделать 4 полоски скотча. Поместите вновь заряженную ленту рядом со старой, и некоторые из них будут отталкиваться, а не притягиваться.

Вопрос: После игры с лентой какие факторы определяют силу силы?

ответ

Сила между полосами ленты велика, когда они ближе.

Сила также зависит от количества разделенных зарядов. Отделить больше заряда легче, когда влажность ниже.

Некоторые частицы имеют электрический заряд. Правила, управляющие этими зарядами, могут объяснить электричество, химические связи, магнетизм и свет!

Электрический заряд определяет величину и направление электростатической силы. Заряд играет роль в электростатической силе, аналогичную роли массы в гравитации.

противоположные заряды обладают силой притяжения

отрицательных заряда обладают силой отталкивания

положительных заряда обладают силой отталкивания

нейтральные заряды не имеют силы

Заряд можно нейтрализовать. Если положительный и отрицательный заряды расположены близко друг к другу, силы притяжения и отталкивания в основном нейтрализуют друг друга. Это объясняет, почему мы не замечаем электростатических сил нейтральных атомов.

Электрический заряд нельзя создать или уничтожить. Подобно энергии и импульсу, электрический заряд сохраняется.

Доказательства этого закона сохранения основаны на повторных экспериментах. Никто никогда не документировал увеличение или уменьшение общего заряда системы.

Этот закон важен в физике элементарных частиц, где заряженные частицы могут создаваться и уничтожаться. но только тогда, когда создается или уничтожается другая частица, чтобы сбалансировать общий заряд.

Элементарный электрический заряд

В 1909 году Роберт Милликен и Харви Флетчер провели эксперимент с каплей масла для исследования электрического заряда. Они распылили тонкий туман масла в однородное электрическое поле. Электрическое поле воздействовало на некоторые капли масла. Основываясь на этой силе, они обнаружили, что заряд только четно кратен примерно 1,6 × 10 90 124 −19 90 125 Кл.

Это свидетельство помогло построить нашу современную модель атома: отрицательные электроны связаны с ядром положительных протонов. и нейтральные нейтроны. Большая часть заряда исходит от электронов или протонов, но есть и более экзотические частицы.

—

электрон :
заряд = -1,602 × 10 ^-19 Кл
масса = 9,109 × 10 ⁻³¹ кг

+ протон :
заряд = +1,602 × 10 ^-19 Кл
масса = 1,672 × 10 ⁻²⁷ кг

Пример:

Эти 6 значений были записаны для электрического заряда. Какие из измерений, вероятно, неточны? Почему?

+3,2 × 10 ⁻¹⁹ C

−2,4 × 10 ^{−19{-17} \, \mathrm{C}$$}

Проводимость

Проводящие материалы позволяют электрическим зарядам легко проходить через них. Если к одной части проводящего материала приложить заряд, заряд быстро распространится, потому что одноименные заряды отталкиваются.

Эти симуляции не учитывают нюансы квантовой механики, они лишь показывают мультяшную аппроксимацию проводимости.

В некоторых материалах под током понимается течение электронной дырки. Эта модель тока помогает нам понять полупроводники, используемые в солнечных панелях, светодиодах и транзисторах.

В химии элементы условно делятся на металлы, металлоиды и неметаллы. Металлы удерживаются вместе за счет свободного обмена внешними валентными электронами. Облако свободно текущих электронов придает металлам большинство их общих характеристик, таких как проводимость.

низкая высокая проводимость высокая низкая сопротивление

изоляторы
вакуум, неметаллы: газы, пластмассы, шелк, мех

полупроводники
металлоидов: углерод и кремний

электролиты
растворители с растворенными ионами:

соленая вода, водопроводная вода, газированная вода

проводники
металлы, плазма

сверхпроводники
определенная низкотемпературная керамика

Вопрос: Расположите эти вещества по электропроводности:

воздух, кока-кола, медь, углерод, пластиковая вилка

ответ

высокая проводимость
медь (проводник)
кока-кола (электролит)
углерод (полупроводник)
пластиковая вилка (изолятор)
воздух (изолятор)
низкая проводимость

Вопрос: Почему металлы обладают большей проводимостью, чем неметаллы?

ответ

В металлах некоторые электроны могут свободно перемещаться между атомами.

В неметаллах электроны заперты в ковалентных связях, поэтому они сопротивляются электростатической силе.

Другой способ сделать вещество проводящим — нагреть его до такой степени, чтобы электроны могли покинуть ядро. Мы называем это состояние вещества плазмой.

Положительные заряды слева поляризуют «атомы» справа, но не настолько, чтобы заставить отрицательные заряды перепрыгнуть через них.

Вопрос: Почему отрицательные заряды не могут распределиться в группу положительных зарядов слева?

ответ

Электростатическая сила подчиняется правилу 1/r², поэтому с расстоянием она ослабевает. Отрицательные заряды стремятся распространиться на положительный заряд, но притяжение на коротком расстоянии к соседнему положительному заряду является более сильной силой.

Добавьте проводник для отрицательных зарядов.

Легко отделить пару триллионов электронов от их протонов, пройдясь в носках по ковру. Аналогичным образом возникает молния, когда облако с поднимающимся воздухом оказывается с неуравновешенным распределением заряда.

Статическое электричество возникает при дисбалансе электронов и протонов. Длительное разделение зарядов может происходить только в изоляционных материалах, потому что в проводниках положительные и отрицательные заряды быстро спариваются.

Эффекты статического электричества намного сильнее и дольше сохраняются при низкой влажности. Это связано с тем, что молекулы воды увеличивают проводимость воздуха, позволяя возвращаться большему количеству разделенных зарядов.

Поэкспериментируйте с этой симуляцией PhET для статического электричества.

Нажмите, чтобы запустить

Вопрос:

Какие проводники и какие изоляторы?
(воздушные шары, кофта, настенные, воздушные)

ответ

проводники: ничего в этой симуляции
изоляторы: баллонный, свитерный, настенный, воздушный

Вопрос: Почему некоторые электроны прыгают на шарик из свитера?
Почему не наоборот?

ответ

Некоторые материалы лучше удерживают дополнительные электроны по сложным квантово-механическим причинам.

Вопрос: Почему воздушный шар притягивается к свитеру после того, как он получает электроны?

ответ

После натирания воздушный шар имеет непарный отрицательный заряд, а свитер непарный положительный заряд. Противоположные заряды притягиваются.

Вопрос: Почему воздушный шар притягивается к стене после того, как набирает электроны?

ответ

После натирания баллон имеет непарный отрицательный заряд. Когда заряд находится рядом с другим изолятором, он отталкивает электроны настолько, что они оказываются немного дальше. но недостаточно, чтобы заставить их покинуть ядро. Это разделение зарядов называется поляризация .

Поляризация положительной и отрицательной пар создает индуцированный заряд

. Заряженный воздушный шар заставляет стену поляризоваться, что увеличивает притяжение и уменьшает отталкивание между воздушным шаром и стеной.