Электрический заряд. Закон сохранения электрического заряда

Ещё совсем недавно мы с вами говорили о том, что по современным представлениям основой всего многообразия явлений природы являются всего четыре фундаментальных взаимодействия — сильное, слабое, электромагнитное и гравитационное. Каждый вид взаимодействия связан с определённой характеристикой частицы. Так, гравитационное взаимодействие зависит от масс частиц, а электромагнитное — от электрических зарядов.

Электромагнитное взаимодействие лежит в основе всех электрических, магнитных и оптических явлений. Им же обусловлены возникновения сил упругости и сил трения, о которых мы говорили при изучении механики.

Взаимодействие атомов и молекул, которое мы рассматривали при изучении молекулярно-кинетической теории, также является электромагнитным. Электромагнитное взаимодействие определяет свойства веществ в различных агрегатных состояниях и их химические превращения. Оно же ответственно за обмен веществ в человеческом организме.

Раздел физики, в котором изучают свойства и закономерности поведения электромагнитного поля, с помощью которого осуществляется взаимодействие между электрически заряженными телами или частицами, называется электродинамикой.

Считается, что термин «электродинамика» ввёл в физику французский учёный Андре Мари Ампер в 1822 г. Хотя электрические явления известны человеку ещё с глубокой древности. Например, ещё в VII в. до н. э. в Древней Греции знаменитый Фалес Милетский обнаружил, что янтарная палочка, потёртая о шерсть, способна притягивать к себе лёгкие предметы.

В XVI веке Уильям Гильберт обнаружил, что свойством притягивать лёгкие предметы обладает не только янтарь, но и многие другие тела, предварительно натёртые кожей или другими мягкими материалами. Это явление он назвал

электризацией (так как янтарь по-гречески звучит как, электрон).

О телах, способных к таким взаимодействиям, говорят, что они электрически заряжены, то есть им сообщён электрический заряд.

А теперь давайте подумаем, что означают слова: тело или частица обладает электрическим зарядом? Чтобы ответить на этот вопрос, обратимся к истории. Итак, ещё в 1881 году знакомый нам немецкий физик Герман Гельмгольц высказал гипотезу, объясняющую электрические явления существованием электрически заряженных элементарных частиц.

Под элементарными частицами мы с вами будем понимать мельчайшие неделимые на более простые частицы, из которых построены все тела.

Гипотеза Гельмгольца была подтверждена спустя 16 лет английским физиком Уильямом Томсоном, после открытия им электрона. А также Эрнестом Резерфордом, который в 1919 году открыл протон, заряд которого с точностью до 10^–20 равен модулю заряда электрона, хотя его масса в 1836 раз больше.

Многие элементарные частицы, хотя и не все, обладают способностью взаимодействовать друг с другом с силой, которая подобно гравитационным силам убывает обратно пропорционально квадрату расстояния, но эта сила во много раз превосходит силу тяготения.

Например, между протоном и электроном в атоме водорода эта сила примерно в 10³⁹ раз больше силы их гравитационного взаимодействия.

Поэтому принято считать, что если частицы взаимодействуют друг с другом с силами, которые убывают с увеличением расстояния так же, как и силы всемирного тяготения, но превышают последние во много раз, то говорят, что эти частицы имеют электрический заряд. А сами частицы называются заряженными.

Важно запомнить, что частица может и не обладать электрическим зарядом. А вот электрического заряда без частицы не существует

.

Подобно тому, как масса определяет интенсивность гравитационного взаимодействия, электрический заряд является количественной мерой способности тел к электромагнитным взаимодействиям.

Чаще всего обозначать электрический заряд мы с вами будем малой латинской буквой q, а измерять — в кулонах (Кл).

1 Кл — это электрический заряд, проходящий через поперечное сечение проводника за 1 с при силе постоянного тока 1 А.

Один кулон — это очень большая единица заряда. Расчёты показывают, что диаметр уединённого металлического шара, находящегося в сухом воздухе, должен быть равен примерно 110 м, чтобы на нём мог находиться избыточный заряд в 1 Кл. Но при этом при включении автомобильных фар через поперечное сечение проводников, подсоединённых к фарам, проходит заряд приблизительно в 10 Кл.

В 1729 году французский учёный Шарль Франсуа Дюфе проведя серию экспериментов установил, что в природе существует два рода зарядов. Один образуется при трении стекла о шёлк, а другой — смолы о шерсть. Поэтому Дюфе назвал заряды «стеклянным» и «смоляным» соответственно.

В 1747 году американский учёный Бенджамин Франклин (кстати, это единственный не президент, изображённый на денежных банкнотах США) ввёл понятие положительного и отрицательного заряда, соответственно заряда, приобретённого стеклянной палочкой, потёртой о шёлк, и заряда, полученного на янтаре, потёртым о мех.

В последствии было установлено, что носителями положительных зарядов являются протоны, входящие в состав всех атомных ядер. А носителями отрицательных зарядов являются электроны, входящие в состав всех атомов.

Из курса физики средней школы вы знаете, что электрическое взаимодействие проявляется в том, что одноимённо заряженные тела (или частицы) отталкивают друг друга, а разноимённо — притягиваются.

На этом явлении основан принцип действия простейшего электроскопа — прибора, при помощи которого выясняют, наэлектризовано тело или нет.

Напомним, что электроскоп состоит из металлического стержня, к концу которого прикреплены две тонкие бумажные полоски. Стержень с бумажными листочками вставляется в металлическую оправу, застеклённую с обеих сторон. Чтобы стержень не касался оправы, его пропускают через пластмассовую пробку. Если дотронуться заряженным телом до стержня электроскопа, то бумажные листочки оттолкнутся друг от друга.

Более совершенным прибором является электрометр. Сообщённый шарику, а через него стержню и стрелке заряд (любого знака) вызывает отталкивание стрелки от заряженного стержня.

Нижний конец стрелки перемещается при этом по шкале. А металлический корпус позволяет использовать прибор и для более сложных измерений. Например, при помощи электрометра можно доказать, что при электризации трением оба тела, приобретают равные по модулю, но противоположные по знаку заряды. Покажем это. Возьмём электрометр, на который сверху надет полый металлический шар. Наэлектризуем трением друг о друга две пластинки — эбонитовую и плексигласовую.

Внесём сначала одну из них внутрь полого шара электрометра и убедимся, что он зарядился. Снимем заряд с электрометра, прикоснувшись к нему рукой, и внесём внутрь шара вторую пластинку. Стрелка электрометра отклонилась на такой же угол, что и в прошлый раз. Это убеждает нас в том, что каждая из пластинок действительно заряжается при трении друг о друга. А теперь внесём внутрь шара одновременно обе заряженные пластинки — электрометр не обнаруживает заряда — его стрелка не отклоняется.

Данный опыт позволяет нам ещё раз убедиться не только в том, что при электризации тела приобретают заряды противоположных знаков, но и в том, что эти заряды равны по модулю. При этом, что важно, при электризации новые носители зарядов не возникают, а существовавшие ранее — не исчезают. Происходит лишь перераспределение зарядов в телах, которые до этого были нейтральными.

Заряд на внесённой в электрометр пластинке, притягивает к себе разноимённый и отталкивает одноимённый заряд на стержне и стрелке прибора, что и объясняет появление заряда.

Серия похожих опытов позволили одному из основателей электродинамики Майклу Фарадею в 1838 году сделать один очень важный для своего времени вывод: «Невозможно ни создать; ни уничтожить одну из электрических сил без равного и соответствующего изменения другой». Такой была первая формулировка одного из фундаментальных законов природы — закона сохранения электрического заряда.

Обратите внимание, что Фарадей говорит не о сохранении заряда, а о сохранении силы, так как ему было неизвестно, как электрические заряды связаны с атомами вещества (ведь существование электрона и протона, было осуществлено гораздо позднее).

Поэтому он исходил из философской концепции взаимной превращаемости сил природы и сохранения сил при их превращении. Электрический заряд он понимает, как источник электрической силы.

Строгая формулировка закона сохранения электрического заряда возникла только после открытия факта взаимной превращаемости элементарных частиц материи: в электрически изолированной системе тел алгебраическая сумма зарядов всех тел остаётся постоянной:

Обратите внимание на то, что выполняется закон сохранения заряда только для

электрически изолированных систем, которые не обменивается электрически заряженными частицами с внешними телами. Интересно, но причина, по которой выполняется закон сохранения электрического заряда до сих пор не ясна.

А теперь давайте проведём с вами такой опыт. Возьмём заряженный электрометр и с помощью проводника соединим его с точно таким же незаряженным электрометром. Нетрудно заметить, что ровно половина заряда перешла с первого электрометра на второй. Теперь разрядим второй электрометр, коснувшись рукой и вновь присоединим его к первому, на котором осталась половина первоначального заряда.

Отклонившиеся, но уже на меньший угол, стрелки опять показывают присутствие заряда на обоих приборах. Только на каждом из них теперь лишь по четверти первоначального заряда. Очевидно, что, продолжая подобное деление, можно получить одну восьмую, одну шестнадцатую и так далее части начального заряда. Из истории физики известно, что уже более ста лет назад учёные умели делить заряд. Но самым важным для них было выяснить: существует ли в природе наименьший заряд, то есть такой, который разделить уже невозможно?

Опыты, позволившие найти «наименьшую порцию электричества», то есть элементарный заряд, были проведены одновременно в 1910—1913 годах американцем Робертом Милликеном и российским физиком Абрамом Фёдоровичем Иоффе.

В их опытах заряженная очень малая капелька масла (в опытах Милликена) и пылинка цинка (в опытах Иоффе) «зависала» между заряженными пластинами. Электрическая сила, компенсирующая силу тяжести, зависела от заряда капельки или пылинки, что позволило учёным судить о значении этого заряда. В обоих опытах были получены одинаковые результаты: заряд не мог принимать любое значение и всегда был кратен одному и тому же числу — заряду электрона. Так как этот заряд дальше уже не делился, то его и назвали элементарным зарядом, модуль которого равен модулю заряда электрона.

е = 1,6 · 10^–19 Кл.

Таким образом, любой электрический заряд дискретен, то есть он может быть больше заряда электрона только в целое число раз:

q = е (N_р – N_е) = Ne.

Физика для углубленного изучения. 2. Электродинамика. Оптика

Физика для углубленного изучения. 2. Электродинамика. Оптика

Бутиков Е. И., Кондратьев А.С. Физика для углубленного изучения. Электродинамика. Оптика. Том 2. М.: Физматлит. — 336 с. Учебник принципиально нового типа. Последовательность изложения соответствует логической структуре физики как науки и отражает современные тенденции ее преподавания. Материал разделен на обязательный и дополнительный, что позволяет строить процесс обучения с учетом индивидуальных способностей учащихся, включая организацию их самостоятельной работы. Задачи служат как для получения новых знаний, так и для развития навыков исследовательской деятельности. Для учащихся школ, гимназий, лицеев с углубленным изучением физико-математических дисциплин, а также для подготовки к конкурсным экзаменам в вузы. Оглавление Введение I. ЭЛЕКТРОСТАТИКА § 1. Электрический заряд. Закон Кулона § 2. Электрическое поле. Напряженность поля § 3. Теорема Гаусса § 4. Потенциал электростатического поля. Энергия системы зарядов § 5. Расчет электрических полей § 6. Проводники в электрическом поле § 7. Силы в электростатическом поле § 8. Конденсаторы. Электроемкость § 9. Энергия электрического поля II. ПОСТОЯННЫЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК § 10. Характеристики электрического тока. Закон Ома § 11. Соединение проводников в электрические цепи § 12. Закон Ома для неоднородной цепи § 13. Расчет цепей постоянного тока § 14. Работа и мощность постоянного тока § 15. Магнитное поле постоянного тока § 16. Действие магнитного поля на движущиеся заряды III. ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ПОЛЕ § 17. Явление электромагнитной индукции § 18. Электрические машины постоянного тока § 19. Энергия магнитного поля § 20. Основы теории электромагнитного поля § 21. Квазистационарные явления в электрических цепях IV. ПЕРЕМЕННЫЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК § 22. Цепи переменного тока. Закон Ома § 23. Работа и мощность переменного тока. Передача электроэнергии § 24. Трехфазный ток. Электрические машины переменного тока V. ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ КОЛЕБАНИЯ И ВОЛНЫ § 25. Колебательный контур § 26. Вынужденные колебания в контуре. Резонанс § 27. Незатухающие электромагнитные колебания § 28. Электромагнитные волны § 29. Свойства и применения электромагнитных волн VI. ОПТИКА § 30. Свет как электромагнитные волны. Интерференция § 31. Дифракция света § 32. Спектральные приборы. Дифракционная решетка § 33. Протяженные источники света § 34. Интерференция немонохроматического света § 35. Физические принципы голографии § 36. Геометрическая оптика § 37. Оптические приборы, формирующие изображение

Электрический заряд — Резюме — Гиперучебник по физике

[закрыть]

• Заряд (или, более формально, электрический заряд ) — это основное количество электричества.
  • Электричество зависит от платы.
  • Никто не может сказать вам, что такое заряд. Они могут только сказать вам, как взаимодействуют заряды.
• Классическое изучение электричества обычно делится на три основные области.
  • электростатика : исследование сил, действующих между зарядами
  • электрический ток : изучение форм энергии, связанных с потоком заряда
  • электромагнетизм : изучение сил, действующих между движущимися зарядами
• Связь между типами заряда и математическими символами преднамеренная и остроумная.
  • Электрический заряд бывает двух и только двух типов.
    • положительный (+)
    • отрицательный (-)
  • Термин нейтральный относится не к третьему типу заряда, а к наличию в области положительных и отрицательных зарядов в равном количестве.
    • Сумма одинаковых положительных и отрицательных величин равна нулю (0). Вот что значит быть электрически нейтральным.
    • Предполагаемый заряд всех макроскопических объектов нейтрален, если не указано иное.
    • Хотя области пространства можно описать как «положительные» или «отрицательные», вселенная в целом электрически нейтральна.
  • Выбор отнесения плюса к одному типу заряда и минуса к другому был совершенно произвольным.
    • Не существует объективного теста, позволяющего отличить положительный заряд от отрицательного.
    • Знак заряда можно определить только путем сравнения с зарядом, знак которого уже известен.
• Правило действия
  • Одинаковые заряды отталкиваются.
  • Противоположные заряды притягиваются.
• Методы зарядки
  • трибоэлектричество …
    • — это разделение зарядов, которое происходит, когда различные материалы соприкасаются, а затем разделяются таким образом, что один материал становится положительным, а другой — отрицательным.
  • — метод, с помощью которого был впервые обнаружен электрический заряд
  • часто ошибочно называют «зарядкой трением»
  • проводимость …
    • — передача заряда при контакте с уже заряженным объектом
  • также может возникнуть при пробое диэлектрика
    • При достаточном напряжении изолятор может проводить электричество.
    • Искра возникает, когда воздух подвергается пробою диэлектрика.
  • индукция …
    • — это разделение заряда, которое происходит, когда нейтральный объект приближается к заряженному объекту
  • — средство, с помощью которого незаряженный объект может притягиваться к заряженному объекту.
    • Одноименные заряды удаляются от заряженного объекта.
    • Противоположные заряды движутся к заряженному объекту.
    • Притяжение преобладает, так как одноименные заряды расположены ближе друг к другу, чем противоположные заряды.
  • Объяснение некоторых методов зарядки лучше предоставить химикам этого мира.
    • электрохимический : содержится в батареях и электрических рыбах
    • полярность : разделение зарядов на молекулярном уровне
  • Объяснение некоторых методов заряда лучше предоставить специалистам-материаловедам этого мира.
    • пьезоэлектричество : разделение зарядов в материалах под однородным механическое напряжение (сжатие или растяжение)
    • флексоэлектричество : разделение зарядов в материалах под неоднородное механическое напряжение (изгиб)
    • пироэлектричество : разделение зарядов при нагревании
• Заряд берет свое начало в атомной структуре.
  • Атомы в целом…
    • вечный
    • электрически нейтральный
    • в основном пустое место
    • малый (~ 10 ⁻¹⁰ м)
  • Ядро…
    • центр атома
    • электрически положительный
    • относительно массивный (источник почти всей массы атома)
    • фиксированный (фактически неподвижный)
    • очень маленький (~ 10 ⁻¹⁵ м)
  • Электрон — это…
    • распределено по всему объему атома (~ 10 ⁻¹⁰ м)
    • электрически отрицательный
    • относительно легкий
    • мобильный (сравнительно легко перемещается)
    • бесконечно мал в изолированном состоянии (< 10 ⁻¹⁸ м)
  • Большинство электрических явлений на Земле связано с переносом электронов.
• Электрические свойства материалов
  • Заряд может легко проходить через проводник .
    • металлы
    • электролиты (ионизированные жидкости)
    • плазма (ионизированные газы)
  • Заряд не проходит легко через изолятор .
    • неметаллы (чистая вода, органика, газы, …)
  • Материал, который иногда ведет себя как проводник, а иногда как изолятор, называется полупроводником .
    • металлоиды (кремний, германий, легированные материалы, …)
  • Материалы, в которых заряды текут без сопротивления, называются сверхпроводниками .
    • Сверхпроводники в некотором смысле являются идеальными проводниками.
    • Многие вещества являются сверхпроводниками ниже некоторой критической температуры.
• Единицей заряда в системе СИ является кулонов [C].
  • Один кулон — это количество заряда, переносимого силой тока в один ампер за одну секунду [C = A s].
    • Обоснование этого определения лучше оставить для последующих глав этой книги.
  • Один кулон — слишком большая единица измерения для повседневных применений.
    • Суммарный заряд объектов размером с человека с заметным зарядом лучше всего измеряется в нанокулонах [нКл] или пикокулонах [пКл].
• Элементарная зарядка
  • Заряд равен , квантованному , кратному элементарному заряду [e].
  • Заряд протона +1 эл.
  • Заряд электрона равен −1 e.
  • 1 e = 1,602 176 634 × 10 ⁻¹⁹ C точно по определению.
• Сохранение заряда
  • Общий заряд закрытой системы постоянен.
  • Вселенная является закрытой системой.
  • Когда создаются субатомные частицы, они не добавляют и не уменьшают заряд Вселенной в целом.

электрических зарядов

Строительные блоки материи

Материя состоит из атомов . Когда-то считавшиеся мельчайшими строительными блоками материи, теперь мы знаем, что атомы могут быть разбиты на еще более мелкие части, известные как 90 319 протонов 90 320, 90 319 электронов 90 320 и 90 319 нейтронов 90 320. Каждый атом состоит из плотного ядра из положительно заряженных протонов и незаряженных (нейтральных) нейтронов. Это ядро ​​известно как ядро ​​ . Он окружен «облаком» гораздо меньших отрицательно заряженных электронов. Эти электроны вращаются вокруг ядра на различных энергетических уровнях. Чтобы перейти на более высокий энергетический уровень, электрон должен поглотить энергию. Когда электрон падает на более низкий энергетический уровень, он выделяет энергию.

Большинство атомов нейтральны, то есть они имеют одинаковое количество положительных и отрицательных зарядов, что дает суммарный заряд 0. Чтобы это произошло, количество протонов должно равняться количеству электронов. Однако в определенных ситуациях атом может приобретать или терять электроны. В этих случаях атом в целом уже не нейтрален, и мы называем его ионом . Если атом теряет один или несколько электронов, он имеет положительный заряд и называется положительным ионом. Если вместо этого атом получает один или несколько электронов, он имеет суммарный отрицательный заряд и поэтому называется отрицательным ионом. Одноименные заряды отталкиваются, а разноименные притягиваются. В физике мы обозначаем заряд объекта символом q.

Заряд является фундаментальным измерением в физике, так же как длина, время и масса являются фундаментальными измерениями. Фундаментальной единицей заряда является кулонов [Кл], что представляет собой очень большое количество заряда. Сравните это с величиной заряда отдельного протона или электрона, известного как элементарный заряд , который равен 1,6*10 ^-19 кулон. Потребовалось бы 6,25*10 ¹⁸ элементарных зарядов, чтобы составить один кулон заряда!

Вопрос: Какой суммарный заряд имеет объект с избытком 6,0*10 ⁶ электронов?

Ответ:

 

 

Проводники и изоляторы

Некоторые материалы допускают свободное перемещение электрических зарядов. Они называются проводниками . Примеры хороших проводников включают такие металлы, как золото, медь, серебро и алюминий. Напротив, материалы, в которых электрические заряды не могут свободно перемещаться, известны как изоляторы . К хорошим изоляторам относятся такие материалы, как стекло, пластик и резина.

Проводники и изоляторы характеризуются их удельным сопротивлением , или способностью сопротивляться движению заряда. Материалы с высоким удельным сопротивлением являются хорошими изоляторами. Материалы с низким удельным сопротивлением являются хорошими проводниками.

Полупроводники представляют собой материалы, которые в чистом виде являются хорошими изоляторами. Однако, добавляя небольшое количество примесей, известных как примеси, их удельное сопротивление можно значительно снизить, пока они не станут хорошими проводниками.

Зарядка за счет проводимости

Материалы могут заряжаться за счет контакта или за счет проводимости. Если вы возьмете воздушный шарик и потрете его о волосы, часть электронов от атомов в ваших волосах перейдет к воздушному шарику. Воздушный шар теперь имеет дополнительные электроны и, следовательно, имеет отрицательный заряд. В ваших волосах не хватает электронов, поэтому теперь они имеют чистый положительный заряд.

Подобно импульсу и энергии, заряд также сохраняется. Продолжая наш пример с волосами и воздушным шаром, величина чистого положительного заряда на ваших волосах равна величине чистого отрицательного заряда на воздушном шаре. Общий заряд системы волос/баллон остается нулевым (нейтральным). На каждый дополнительный электрон (отрицательный заряд) на воздушном шаре приходится соответствующий отсутствующий электрон (положительный заряд) в ваших волосах. Это известно как закон сохранения заряда .

Проводники также можно заряжать контактным путем. Если заряженный проводник соединить с идентичным нейтральным проводником, общий заряд будет разделен между двумя проводниками.

Вопрос: Если проводник, несущий суммарный заряд из 8 элементарных зарядов, привести в соприкосновение с таким же проводником, не имеющим суммарного заряда, каков будет заряд каждого проводника после того, как они будут разделены?

Ответ: Каждый проводник будет иметь заряд из 4 элементарных зарядов.

Вопрос: Каков суммарный заряд (в кулонах) каждого проводника после их разделения?

Ответ:

Электроскоп

Простой инструмент, используемый для обнаружения небольших электрических зарядов, известный как электроскоп, работает на основе проводимости. Электроскоп состоит из проводящего стержня, прикрепленного к двум тонким проводящим пластинам на одном конце и изолированного от окружающих зарядов изолирующей пробкой, помещенной в колбу. Если заряженный предмет соприкасается с проводящим стержнем, часть заряда передается на стержень. Так как стержень и листья образуют проводящую дорожку, а одноименные заряды отталкиваются друг от друга, заряды равномерно распределяются по всему стержне-листовому аппарату. Листья, имеющие одинаковые заряды, отталкиваются друг от друга, причем большие заряды обеспечивают большее разделение листьев!

Индукционная зарядка

Проводники также можно заряжать без контакта с другим заряженным объектом в процессе, известном как индукционная зарядка . Это достигается размещением проводника рядом с заряженным объектом и заземлением проводника. Чтобы понять зарядку посредством индукции, мы должны сначала осознать, что, когда объект соединен с Землей проводящей дорожкой, известной как заземление , Земля действует как бесконечный источник для предоставления или приема избыточных электронов.

Чтобы зарядить проводник индукцией, мы сначала подносим его близко к другому заряженному объекту. Когда проводник находится близко к заряженному объекту, любые свободные электроны на проводнике будут двигаться к заряженному объекту, если объект заряжен положительно (поскольку противоположные заряды притягиваются), или от заряженного объекта, если объект отрицательно заряжен (поскольку одинаковые заряды отталкивать).

Если проводник затем «заземляется» с помощью токопроводящего пути к Земле, избыточный заряд компенсируется посредством переноса электронов на Землю или с Земли. Затем связь с землей разрывается. Когда первоначально заряженный объект перемещается далеко от проводника, заряды в проводнике перераспределяются, оставляя суммарный заряд на проводнике, как показано ниже.

 

Вы также можете вызвать заряд в заряженной области нейтрального объекта, поднеся к этому объекту сильный положительный или отрицательный заряд. В таких случаях электроны в нейтральном объекте имеют тенденцию двигаться к сильному положительному заряду или от большого отрицательного заряда.