1. Электрический заряд и его свойства. Закон Кулона
Электрический заряд – физическая величина, определяющая интенсивность электрических взаимодействий. Электрический заряд – фундаментальное свойство материи. Заряд – инвариантная величина, т.е. не зависит от скорости движения заряженного тела.
Положительные и отрицательные заряды по-разному проявляют себя в парном взаимодействии: тела, обладающие зарядами одного типа, отталкиваются друг от друга, а тела, обладающие зарядами разных типов, притягиваются друг к другу.
Поскольку электрический заряд – это мера воздействия на тело других заряженных тел или электрических полей, то он всегда связан с определенным телом или частицей. Электрический заряд дискретен, т.е. существует минимальная величина электрического заряда (элементарный заряд), а электрический заряд любого тела может быть представлен как алгебраическая сумма целого числа элементарных зарядов. Элементарный положительный заряд – это заряд протона, элементарный отрицательный заряд – это заряд электрона (в дальнейшем будем обозначать их
Для количественного измерения электрических зарядов в СИ существует единица измерения, называемая кулон (обозначается Кл). 1 кулон – это электрический заряд, переносимый через поперечное сечение проводника за 1 с при силе тока в проводнике, равной 1 ампер.
В результате точных электрических измерений было установлено, что Кл,.
Система тел или частиц называется электрически изолированной, если между ней и внешними телами нет обмена электрическими зарядами (заряженными частицами). В такой системе могут образовываться новые электрически заряженные частицы, например, электроны при ионизации атомов и молекул. Однако всегда при этом рождаются частицы, заряды которых противоположны по знаку и в сумме равны нулю. Для электрически изолированной системы тел справедлив фундаментальный закон физики –
Силы взаимодействия неподвижных электрических зарядов подчиняются основному закону электростатического взаимодействия, который был экспериментально установлен Г. Кавендишем в 1773 г. Впервые этот закон был опубликован в 1785 г. Ш. Кулоном, который исследовал взаимодействие заряженных маленьких шариков с помощью крутильных весов. Такие шарики в опыте Кулона можно было считать материальными точками. Назовем электрически заряженную материальную точку
Закон Кулона утверждает, что сила электростатического взаимодействия двух неподвижных точечных электрических зарядов, находящихся в вакууме, прямо пропорциональна произведению этих зарядов, обратно пропорциональна квадрату расстояния между зарядами и направлена вдоль соединяющей их прямой (рис.1.1):
, , (1.1)
где
– сила, действующая на зарядсо стороны заряда;–радиус-вектор, соединяющий зарядс зарядом;;k –
коэффициент пропорциональности;
–
сила, действующая на зарядсо стороны заряда;–
радиус-вектор, соединяющий зарядс зарядом.
Из (1.1) следует, чтопри(рис.1.1,а)
– одноименно заряженные тела отталкиваются.
При
(рис.1.1,б)
– разноименно заряженные тела
притягиваются.
Коэффициент пропорциональности k в формуле (1.1) зависит от выбора системы единиц. В СИ принимается, что
Нм2
где – коэффициент, определяемый из экспериментальных данных, называемыйэлектрической постоянной:
Кл2Н–1м–2. (1.3
Электрическое поле, создаваемое заряженными телами, неподвижными относительно инерциальных систем отсчета, называется электростатическим полем.
Электрический заряд и его свойства
Содержание
Электрометр
Для обнаружения и измерения электрических зарядов применяется электрометр. Электрометр состоит из металлического стержня и стрелки, которая может вращаться вокруг горизонтальной оси (рис.
2). Стержень со стрелкой закреплен в плексигласовой втулке и помещен в металлический корпус цилиндрической формы, закрытый стеклянными крышками.
Принцип работы электрометра. Прикоснемся положительно заряженной палочкой к стержню электрометра. Мы увидим, что стрелка электрометра отклоняется на некоторый угол (см. рис. 2). Поворот стрелки объясняется тем, что при соприкосновении заряженного тела со стержнем электрометра электрические заряды распределяются по стрелке и стержню. Силы отталкивания, действующие между одноименными электрическими зарядами на стержне и стрелке, вызывают поворот стрелки. Наэлектризуем эбонитовую палочку еще раз и вновь коснемся ею стержня электрометра. Опыт, показывает, что при увеличении электрического заряда на стержне угол отклонения стрелки от вертикального положения увеличивается. Следовательно, по углу отклонения стрелки электрометра можно судить о значении электрического заряда, переданного стержню электрометра.
Электрический заряд и его свойства.
Электрический заряд это физическая величина, характеризующая способность частиц или тел вступать в электромагнитные взаимодействия. Электрический заряд обычно обозначается буквами q или Q. В системе СИ электрический заряд измеряется в Кулонах (Кл).
Свободный заряд в 1 Кл – это гигантская величина заряда, практически не встречающаяся в природе. Как правило, Вам придется иметь дело с микрокулонами (1 мкКл = 10–6 Кл), нанокулонами (1 нКл = 10–9 Кл) и пикокулонами (1 пКл = 10–12 Кл).
Электрический заряд обладает следующими свойствами:.
1. Электрический заряд является видом материи.
2. Электрический заряд не зависит от движения частицы и от ее скорости.
3. Заряды могут передаваться (например, при непосредственном контакте) от одного тела к другому. В отличие от массы тела электрический заряд не является неотъемлемой характеристикой данного тела. Одно и то же тело в разных условиях может иметь разный заряд.
4. Существует два рода электрических зарядов, условно названных положительными и отрицательными.
5. Все заряды взаимодействуют друг с другом. При этом одноименные заряды отталкиваются, разноименные – притягиваются. Силы взаимодействия зарядов являются центральными, то есть лежат на прямой, соединяющей центры зарядов.
6. Существует минимально возможный (по модулю) электрический заряд, называемый элементарным зарядом. Его значение:
e = 1,602177·10–19 Кл ≈ 1,6·10–19 Кл.
Электрический заряд любого тела всегда кратен элементарному заряду:
где: N – целое число
Обратите внимание, невозможно существование заряда, равного 0,5е; 1,7е; 22,7е и так далее. Физические величины, которые могут принимать только дискретный (не непрерывный) ряд значений, называются квантованными
Элементарный заряд e является квантом (наименьшей порцией) электрического заряда.
7. Закон сохранения электрического заряда. В изолированной системе алгебраическая сумма зарядов всех тел остается постоянной:
Закон сохранения электрического заряда утверждает, что в замкнутой системе тел не могут наблюдаться процессы рождения или исчезновения зарядов только одного знака
Из закона сохранения заряда так же следует, если два тела одного размера и формы, обладающие зарядами q1 и q2
(совершенно не важно какого знака заряды), привести в соприкосновение, а затем обратно развести, то заряд каждого из тел станет равным:
С современной точки зрения, носителями зарядов являются элементарные частицы.
Все обычные тела состоят из атомов, в состав которых входят положительно заряженные протоны, отрицательно заряженные электроны и нейтральные частицы – нейтроны.
Протоны и нейтроны входят в состав атомных ядер, электроны образуют электронную оболочку атомов. Электрические заряды протона и электрона по модулю в точности одинаковы и равны элементарному (то есть минимально возможному) заряду e.
В нейтральном атоме число протонов в ядре равно числу электронов в оболочке. Это число называется атомным номером. Атом данного вещества может потерять один или несколько электронов, или приобрести лишний электрон. В этих случаях нейтральный атом превращается в положительно или
отрицательно заряженный ион
Обратите внимание, что положительные протоны входят в состав ядра атома, поэтому их число может изменяться только при ядерных реакциях. Очевидно, что при электризации тел ядерных реакций не происходит
Поэтому в любых электрических явлениях число протонов не меняется, изменяется только число электронов.
Так, сообщение телу отрицательного заряда означает передачу ему лишних электронов. А сообщение положительного заряда, вопреки частой ошибке, означает не добавление протонов, а отнимание электронов.
Заряд может передаваться от одного тела к другому только порциями, содержащими целое число электронов.
Иногда в задачах электрический заряд распределен по некоторому телу. Для описания этого распределения вводятся следующие величины:
1. Линейная плотность заряда. Используется для описания распределения заряда по нити:
где: L – длина нити. Измеряется в Кл/м.
2. Поверхностная плотность заряда. Используется для описания распределения заряда по поверхности тела:
где: S – площадь поверхности тела. Измеряется в Кл/м2.
3. Объемная плотность заряда. Используется для описания распределения заряда по объему тела:
где: V – объем тела. Измеряется в Кл/м3.
Обратите внимание на то, что масса электрона равна:
me = 9,11∙10–31 кг.
Решение задач
Электростатика – эта наука, занимающаяся изучением и нахождением сил, возникающих при взаимодействии заряженных частиц между собой в состоянии покоя.
При помощи закона Кулона проводить постоянные измерения для этого не нужно, достаточно использовать полученные им закономерности.
Например, с помощью математики и знания нужных формул можно решать следующие виды задач:
Определить, с какой силой будут действовать друг на друга электроны, несущие заряд 10-8 кулон каждый, если расстояние между ними составляет три сантиметра. Это задача одноходовая, то есть решается по одной формуле: F = k * (q 1 * q 2 / r 2)
Следует обратить внимание, что расстояние дано в сантиметрах, а подставлять его нужно согласно СИ в метрах. После подстановки и выполнения вычислений ответ должен получиться следующим: F = 9 * 109 * (H * m 2 / Кл2) * (10 -8)2 (Кл) / (3 * 10-2)2 (м) = 10-3 Н.
Найти, во сколько раз электроотталкивание между двумя электронами будет больше их силы притяжения
Для решения этой задачи понадобится взять данные о массе частицы и величине её заряда из справочника. Затем по закону Кулона рассчитать силу электрического взаимодействия, а по закону всемирного тяготения — гравитационную и найти соотношение полученных результатов.
Так, F 1 = (k * q 1 * q 2) / r 2 = k * (e)2 / r 2, а F 2 = G * (m 1 * m 2) / r 2 = G * m / r 2. Отсюда F 1 / F 2 = 9 * 109 * 1,6 * 10-19 / 6,67 * 10-11 * (9,1 * 10-31)2 = 4, 23 * 1042.
Заряженные частицы находятся друг от друга на расстоянии семь миллиметров. Вычислить силу, действующую на заряд 2 нКл расположенный в точке, удалённой на три миллиметра от заряда в 10 нКл и на четыре от 16 нКл. Равнодействующую возникших сил можно определить так: F = F1 – F2, где: F1 – взаимодействие c третьим первого заряда, а F2 — второго. Таким образом, рабочая формула примет вид: F = k * (q 1 * q 3) / r 12 – k * (q1 * q3) / r 22 = k * q 3 * (q 1/ r 12 – q 2/ r 22). После подстановки данных в ответе должна получиться сила, равная: F = 2 * 10-3 Н.
Нужно обратить внимание, что при подстановке исходных данных в формулы нужно обязательно придерживаться СИ
Это важно, тем более что с помощью размерностей можно проверить правильность используемого или полученного выражения. А также при решении задач часто приходится прибегать к использованию справочника по электрофизике
Другие сложности при знании формул возникнуть не должны
А также при решении задач часто приходится прибегать к использованию справочника по электрофизике.
Другие сложности при знании формул возникнуть не должны.
История
Майкл Фарадей за опытами в своей лаборатории
Бенджамин Франклин проводит свой знаменитый опыт с летающим змеем, в котором доказывает, что молния — это электричество.
Ещё в глубокой древности было известно, что янтарь (др.-греч. ἤλεκτρον — электрон), потёртый о шерсть, притягивает лёгкие предметы. А уже в конце XVI века английский врач Уильям Гильберт назвал тела, способные после натирания притягивать лёгкие предметы, наэлектризованными.
В 1729 году Шарль Дюфе установил, что существует два рода зарядов. Один образуется при трении стекла о шёлк, а другой — смолы о шерсть. Поэтому Дюфе назвал заряды «стеклянным» и «смоляным» соответственно. Понятие о положительном и отрицательном заряде ввёл Бенджамин Франклин.
В начале XX века американский физик Роберт Милликен опытным путём показал, что электрический заряд дискретен, то есть заряд любого тела составляет целое кратное от элементарного электрического заряда.
Общие сведения
Проводя серию опытов с янтарём, Уильям Гильберт заметил, что при определённых обстоятельствах он был способен притягивать к себе другие предметы. В XVI веке врач из Англии назвал тела, которые обладали таким свойством наэлектризованными. Им было сделано предположение, что в теле существует определённая субстанция, которая склонна к взаимодействию.
Французский учёный Шарль Франсуа Дюфе, провёдший большую работу по систематизации сведений, связанных с электричеством, пришёл к выводу, что такой субстанцией является элементарная частица. В каждом теле существует несколько их видов. Как показали опыты, одни образовывались при трении стекла о шёлк, а другие — смолы. Поэтому учёный назвал частицы «стеклянными» и «смоляными».
В 1897 году физиком Томсоном была открыта элементарная частица, получившая название электрон. Через двадцать лет Резерфорд выдвинул предположение о существовании противоположной величины. После этого теория была подтверждена экспериментально, а частица была названа протоном.
Учёный из Англии в 1932 году смог обнаружить новый вид частиц, близких по размеру открытым, но отличающихся своим поведением. Назвал он их нейтронами, что в переводе с латинского обозначает «ни тот ни другой».
После открытия тока и напряжения учёными были обнаружены интересные эффекты. Проводник, по которому протекало электричество, вызывал отклонение магнитной стрелки. Это явление позволило сделать вывод, что элементарная частица является носителем энергии, которую и назвали зарядом. Понятие же о положительной и отрицательной частицы ввёл Вениамин Франклин.
Таким образом, было установлено, что атом вещества состоит из трёх частиц:
- отрицательно заряженного электрона;
- имеющего положительный заряд протона;
- нейтральной частицы нейтрона.
Сегодня под ним понимают скалярную физическую величину, определяющую возможности физического тела быть источником возникновения электромагнитных полей. Именно количество заряда и обеспечивает появление электромагнитного взаимодействия.
Поэтому он не может существовать без носителя.
Защита радиоаппаратуры от воздействия электростатического электричества
Антистатическое заземление
Заземление не является защитой о статических зарядов, но оно необходимо для
ограничения зарядов, скапливающихся на изоляционных материалах и могущих попасть
на проводящие конструкции установок.
Для статического электричества, объект считается
заземленным если сопротивление заземления имеет величину порядка !07
Ом при относительной влажности 60%.
Для предупреждения вывода из строя электронной аппаратуры применяются
следующие методы.
Схемотехнический
- Применение элементной базы с максимальной устойчивостью к воздействию
ЭСР - Использование схемотехнической защиты от перенавряжений во входных —
выходных цепях.
Конструкторский
- Создание рационального заземления,
- Экранирование узлов и блоков.
- Ограничение доступа к цепям и блокам,
- Выбор материалов и покрытий
Технологический
- Устранение разности потенциалов на материалах,
- Использование специальной тары и транспорта,
- Применение средств снятия эл. статических зарядов с тела операторов,
- Нейтрализация зарядов
- Заземление объектов
Эксплуатация
- Повышение поверхностной проводимости материалов за счет обработки
материалов и создания оптимальной влажности, - Нейтрализация эл. статических зарядов,
- Антистатическая отделка помещения,
- Индивидуальная антистатическая защита персонала.
Простое средство для снятия статического электрического заряда
с теле человека — оператора.
Для снятия электрического заряда с тела человека — оператора на производства,
в мастерских да и в домашней лаборатории применяется антистатический браслет.
Его внешний вид показан на рис.5.
Рисунок 5
Антистатический браслет
Ремешок такого браслета выполнен из слабо проводящего материала,
электрический контакт с которым выполнен с помощью специальной конструкции
позволяющей подключить к браслету специальный провод со штеккером.
В него должен быть встроен резистор 1 мОм, который
позволяет заряду стекать с тела человека без ощущения этого процесса (как
происходит при непосредственном касании пальцем «земли»).
Внимание!Предупреждение самодельшикам!Все кто сами пытаются изготовить антистатический
браслет должны помнить, что его нельзя подключать обычным проводом к
«земле» или клемме заземления!
В антистатическом браслете подключение к «земле» должно осуществляться
через сопротивление 1 мОм!
Иначе Вы можете потерять руку или погибнуть от поражения электрическим
током!
Ссылки:
- Конспект лекций по
электростатике ИАТЭ НИЯУ МИФИ кафедра ОиСФ - Защита электронных средств от воздействия статического электричества,
Кучиев Л. Н, Пожидаев Е.Д., ИД «Технологии», М, 2005 - Схемотехнические методы защиты рассмотрены
здесь.
Н, Пожидаев Е.Д., ИД «Технологии», М, 2005Собрал А.Сорокин,
2013 г.
Электрический заряд элементарной частицы
Электрический заряд элементарной частицы – это не особый «механизм» в частице, который можно было бы снять с нее, разложить на составные части и снова собрать. Наличие электрического заряда у электрона и других частиц означает лишь существование определенных взаимодействий между ними.
В природе имеются частицы с зарядами противоположных знаков. Заряд протона называется положительным, а электрона – отрицательным. Положительный знак заряда у частицы не означает, конечно, наличия у нее особых достоинств. Введение зарядов двух знаков просто выражает тот факт, что заряженные частицы могут как притягиваться, так и отталкиваться. При одинаковых знаках заряда частицы отталкиваются, а при разных – притягиваются.
Никакого объяснения причин существования двух видов электрических зарядов сейчас нет.
Во всяком случае, никаких принципиальных различий между положительными и отрицательными зарядами не обнаруживается. Если бы знаки электрических зарядов частиц изменились на противоположные, то характер электромагнитных взаимодействий в природе не изменился бы.
Положительные и отрицательные заряды очень хорошо скомпенсированы во Вселенной. И если Вселенная конечна, то ее полный электрический заряд, по всей вероятности, равен нулю.
Наиболее замечательным является то, что электрический заряд всех элементарных частиц строго одинаков по модулю. Существует минимальный заряд, называемый элементарным, которым обладают все заряженные элементарные частицы. Заряд может быть положительным, как у протона, или отрицательным, как у электрона, но модуль заряда во всех случаях один и тот же.
Отделить часть заряда, например, у электрона невозможно. Это, пожалуй, самое удивительное. Никакая современная теория не может объяснить, почему заряды всех частиц одинаковы, и не в состоянии вычислить значение минимального электрического заряда.
Оно определяется экспериментально с помощью различных опытов.
В 60-е гг., после того как число вновь открытых элементарных частиц стало угрожающе расти, была выдвинута гипотеза о том, что все сильно взаимодействующие частицы являются составными. Более фундаментальные частицы были названы кварками. Поразительным оказалось то, что кварки должны иметь дробный электрический заряд: 1/3 и 2/3 элементарного заряда. Для построения протонов и нейтронов достаточно двух сортов кварков. А максимальное их число, по-видимому, не превышает шести.
Электростатика — раздел учения об электричестве, изучающий взаимодействие
неподвижных электрических зарядов.
Между одноимённо заряженными телами возникает электростатическое (или
кулоновское) отталкивание, а между разноимённо заряженными — электростатическое
притяжение. Явление отталкивания одноименных зарядов лежит в основе создания
электроскопа — прибора для обнаружения электрических зарядов.
Рисунок 1
Наглядное действие закона Кулона
В основе электростатики лежит закон Кулона.
Этот закон описывает взаимодействие
точечных электрических зарядов.
Закон Кулона имеет вид:
здесь ε
= 8,85×10-12Ф/м — электрическая постоянная.
Простой пример действия закона Кулона и наглядно наблюдаемый — перенос
электростатического заряда на кисть из тонких эластичных волосков.
Свойства электрического заряда
Заряд бывает двух видов, называемых положительным и отрицательным:
заряды одного вида отталкиваются друг от друга, заряды разных видов —
притягиваются, причем сила отталкивания равна по модулю силе притягивания;
число положительных и отрицательных зарядов в веществе одинаковое.
Полный электрический заряд изолированной системы сохраняется.
Величина заряда может принимать только дискретные значения:
минимальный заряд частицы e = 1.60·10-19 Кл;
любой заряд q кратен минимальному, т.е. q=Ne, где N — целое число;
минимальные положительный и отрицательный заряды равны по абсолютной величине.
Электрическое поле
Заряд изменяет свойства окружающего его пространства, т.
е. он создает вокруг
себя нечто материальное, посредством чего осуществляется взаимодействие между
зарядами. Это нечто и называется электрическим полем.
Поле характеризуется величиной напряженности, которая численно равна силе,
действующей на единичный заряд:
Направление вектора напряженности совпадает с направлением силы, действующей на
заряд.
Величина φ
называется потенциалом.
Потенциал (φ) численно равен потенциальной энергии
(Wp), которой
обладал бы в данной точке поля положительный единичный заряд
(q). Работа по переносу
заряда q из точки 1 в точку 2 может быть записана как:
Тогда, так как потенциал на бесконечности считаем равным нулю то можно сказать,
что потенциал равен работе, которую совершают силы поля над единичным
положительным зарядом при удалении его из данной точки на бесконечность.
Единицей потенциала является Вольт.
1В — это потенциал в такой точке, для
перемещения в которую из бесконечности заряда в 1Кл нужно затратить работу в
1Дж.
Потенциал поля, создаваемого системой зарядов равен
алгебраической сумме потенциалов, создаваемых каждым из зарядов в отдельности:
Напряженность электрического поля
Закон Кулона
Возможность взаимодействия зарядов между собой впервые подтвердил Кулон. Для этого он использовал крутильные весы собственного изобретения. На них было закреплено коромысло, подвешенное на шёлковую нить. К другому её концу через зажим крепилась стрелка микрометра. На одну чашу весов ложился шар, а на другую — противовес. Вся эта конструкция размещалась в сосуде, из которого был выкачан воздух. Через специальное отверстие в колбу можно было поместить другой шар.
В результате таких действий физик наблюдал, как при помещении шаров с разным зарядом происходило закручивание нити. Силу этого взаимодействия он определял по отклонению стрелки микрометра. Кроме этого, с помощью проводника Кулон замыкал оба тела и наблюдал распределение электрозарядов. Такое устройство позволяло измерять силы до 10-11 ньютон.
Проведя ряд экспериментов, учёный установил, что сила взаимодействия обратно пропорциональна квадрату расстояния между носителями и пропорциональна произведению их зарядов. То есть, чем большей энергией обладают носители и плотнее расположены друг к другу, тем сильнее они испытывают обоюдное влияние. В честь его работы величина энергии частицы стала измеряться в кулонах (Кл).
В математическом виде сила взаимодействия описывается выражением: F = k * (q1 * q2) / r2. Где:
- q – величина энергии которой обладает элементарная частица;
- k – коэффициент;
- r – расстояние между зарядами.
Коэффициент является постоянной величиной, но зависит от выбора системы измерений. Так, для Гаусса его можно вычислить по формуле: K = (p * E0) / 4, где E0 – электрическая постоянная.
Литература
- Буров Л. И., Стрельченя В.М. Физика от А до Я: учащимся, абитуриентам, репетиторам. – Мн.: Парадокс, 2000. – 560 с.
- Мякишев Г.Я. Физика: Электродинамика. 10-11 кл.: учеб. Для углубленного изучения физики /Г.Я. Мякишев, А.З. Синяков, Б.А. Слободсков. – М.Ж Дрофа, 2005. – 476 с.
- Физика: Учеб. пособие для 10 кл. шк. и классов с углубл. изуч. физики/ О. Ф. Кабардин, В. А. Орлов, Э. Е. Эвенчик и др.; Под ред. А. А. Пинского. – 2-е изд. – М.: Просвещение, 1995. – 415 с.
- Элементарный учебник физики: Учебное пособие. В 3 т./ Под ред. Г.С. Ландсберга: Т. 2. Электричество и магнетизм. – М: ФИЗМАТЛИТ, 2003. – 480 с.
И., Стрельченя В.М. Физика от А до Я: учащимся, абитуриентам, репетиторам. – Мн.: Парадокс, 2000. – 560 с.Свойства заряда
Для упрощения описания поля, возникающего вокруг заряженного тела или даже их системы, была введена идеализация — пробный точечный заряд. Простыми словами — это величина с размерами носителя, которым можно пренебречь. В абстрактном смысле заряд представляет собой генератор непрерывной симметрии изучаемой физической системы.
По сути, это субстанция, которая «течёт» в физическом теле.
Для изучения взаимодействия заряженных частиц используют специальные приборы — электроскоп и электрометр. В состав первого входит металлический стержень, проходящий сквозь диэлектрическую пробку, с прикреплёнными к нему двумя тонкими металлическими лепестками (фольга). При взаимодействии тела со стержнем листки заряжаются и отклоняются друг от друга. Во втором же устройстве используется стрелка, которая может свободно вращаться на стержне. По её отклонениям судят о величине электрического заряда и его влиянии.
Из известных свойств заряженных частиц можно выделить следующие:
- В природе есть как отрицательные, так и положительные заряды. При взаимодействии для разноимённых характерно появление силы притягивания, а одноимённых — отталкивания. Носителем наименьшего отрицательного заряда в физическом теле является электрон. Его величина составляет q = -1,6*10-19 Кл, а масса m = 9,1*10-31 кг. Положительный же переносят протоны. Значение их заряда аналогично электрону, но только с противоположным знаком, а масса больше m = 1,67*10-27 кг.
- Электрический заряд по природе дискретный. Это значит, что его значение в любом случае будет кратно величине электрона: q = N qe. При этом n — всегда целое число.
- При создании определённых условий электрический заряд можно переместить из одного тела в другое.
- В замкнутой системе действует закон сохранения энергии частиц. Экспериментально установлено, что появление положительно заряженной частицы сопровождается исчезновением отрицательной. Любого знака заряды при их равенстве и взаимодействии могут аннигилировать, то есть нейтрализовать друг друга.
- За единицу заряда принимается величина, определяемая как количество прошедших частиц через поперечное сечение проводника за единицу времени.
Значение их заряда аналогично электрону, но только с противоположным знаком, а масса больше m = 1,67*10-27 кг.
Помогла ли вам статья?
Задать вопрос
Пишите ваши рекомендации и задавайте вопросы в комментариях
Электрический заряд — Гиперучебник по физике
[закрыть]
| положительный конец (теряют электроны) |
|---|
| воздух |
| кожа человека |
| асбест |
| мех кролика |
| ацетат |
| стекло |
| слюда |
| человеческий волос |
| нейлон |
| шерсть |
| кошачий мех |
| свинец |
| шелк |
| алюминий |
| бумага |
| (0) хлопок (0) |
| сталь |
| дерево |
| янтарный |
| воск |
| вулканизированная резина |
| майлар |
| медь и никель |
| латунь и серебро |
| синтетический каучук |
| золото и платина |
| сера |
| ацетат и вискоза |
| целлулоид |
| полиэстер |
| полистирол |
| орлон |
| акрил |
| резиновый баллон |
| саран |
| целлофановая лента |
| полиуретан |
| полиэтилен |
| полипропилен |
| поливинилхлорид |
| кремний |
| тефлон |
| силиконовый каучук |
| (усиление электронов) отрицательный конец |
история
Электричество происходит от греческого слова «янтарь» — электрон (ηλεκτρον). Ничто, написанное Фалесом, не сохранилось до наших дней (при условии, что он вообще что-то «написал»).Так много цитат, которые нужно перефразировать (и проверить).
- Наиболее примитивные электрические и магнитные явления — притяжение сухого легкого материала, такого как мякина, к натертому янтарю и притяжение железа к магнитному камню — несомненно, наблюдались еще до начала письменной истории. Однако, насколько мне известно, эти явления не были зафиксированы ни египтянами, ни какой-либо другой догреческой цивилизацией. Первое определенное утверждение принадлежит Фалесу из Милета (около 585 г. до н. э.), который сказал, что магнит притягивает железо, потому что у него есть душа. В то время господствовало мнение, что любое движение указывает на жизнь, душу или бога. На самом деле со стороны Фалеса было продвинутым мышлением думать, что движение железа по магнитному камню было вызвано само по себе, а не вмешательством какого-то бога.
- У Плиния тоже есть что сказать о янтаре. Судя по всему, он использовался для окончания веретена сирийскими прядильщиками и назывался у них «клатчер». Одна из возможностей состоит в том, что он стал наэлектризованным, когда вращался и терся об их одежду, привлекая мякину и т. д.
- Четыре типа электрических явлений, известных и признанных греками и римлянами, были: молния, огонь Святого Эльма и другие световые эффекты, ошеломляющий удар торпедного луча — разновидности электрической рыбы и сила притяжения, проявляемая натертым янтарем.
- Что кажется несомненным, так это то, что современники почитали Фалеса как величайшего из мудрых и что он ввел понятие философского рассуждения, которое пыталось сделать природу понятной, обобщая первые принципы космологии. Фалес использовал метод, основанный на наблюдениях, т. е. явлениях-вещах, которые появляются, для объяснения первооснов природы.
- Свидетельство Диогена Лаэртского важно, потому что оно подразумевает, что Фалес был первым философом, предпринявшим попытку рационально интерпретировать поведение магнитов и янтаря. Фалес не представил никаких письменных документов. То, что мы знаем, основано на знании из вторых рук, переданном как словесная традиция, пока Аристотель не зафиксировал его в своих трудах.
- В своем последнем диалоге «Тимей» Платон говорит о «чудесной притягательной силе янтаря и камня Геракла». Этот диалог важен, потому что он представляет собой самую раннюю сохранившуюся полную запись первоисточника космологии в научном смысле; теория происхождения вселенной и всего в ней, которая вытекает из первых принципов, а не основана на мифе.
Явление разделения зарядов при трении известно как трибоэлектричество . Процесс получения заряда при трении известен как трибоэлектрификация . Трибоэлектрическая серия представляет собой список, который ранжирует склонность материалов приобретать суммарный положительный заряд при трении. Трибоэлектричество — плохо изученное явление, несмотря на то, что оно является отраслью электричества и магнетизма с самой длинной историей.
Бенджамин Франклин
- 1752 Экспериментирует с воздушным змеем и обнаруживает, что молния — это электрический разряд.
- 1753 Награжден медалью Копли за это открытие и избран членом Королевского общества; получает степень магистра Йельского и Гарвардского университетов.
Бен Франклин: плюс и минус. Из книги «Первый американец: Жизнь и времена Бенджамина Франклина » Х.В. Брендс, вот описание продолжающейся переписки Франклина, начавшейся в 1747 году с Питером Коллинсоном в Лондоне. Коллинсон был агентом Библиотечного общества Филадельфии и ученым с научными интересами, подобными интересам Франклина:
«В одном из своих первых писем Франклин предложил новую терминологию, которая стала стандартной при анализе электрических явлений. Описывая конкретный аппарат, состоящий из тел, обозначенных буквами А и В, он писал: «Мы говорим, что В (и другие тела, описанные подобным образом) суть электризуется положительно, А отрицательно, или, скорее, В электризуется плюс, а А минус…». В то время, когда другие электрики говорили о двух разных видах электричества — стекловидном и смолистом, — Франклин объединил поле, постулировав один вид и объяснив противоположные свойства в терминах избытка или дефицита (то есть положительного или отрицательного состояния) электричества.
это единственное электричество, с незаряженными объектами, находящимися в равновесии».Франклин и молния: Раньше считалось, что молния — это работа сверхъестественных сил. Многие европейские христиане во времена Франклина считали его дьявольским по происхождению, в основном основываясь на толковании одной-единственной фразы в Библии.
Ефесянам 2:2 (KJV)
В котором в прошлые времена вы ходили по пути мира сего, согласно князю, господствующему в воздухе , духу, действующему ныне в детях противления:
Длинная цитата Уайта.
Но наиболее широкое распространение получило средство нейтрализации сил воздуха — звон освященных церковных колоколов. Это употребление началось во времена Карла Великого…
Короткая цитата Уайта.
90–196 В Америке широко приписывали землетрясение 1755 года, особенно в Массачусетсе, стержню Франклина. Преподобный Томас Принс, пастор Старой Южной церкви, опубликовал проповедь на эту тему и в приложении высказал мнение, что частота землетрясений может быть связана с возведением «железных наконечников, изобретенных прозорливым мистером Франклином.Три года спустя Джон Адамс, говоря о разговоре с Арбатнотом, бостонским врачом, говорит: «Он начал болтать о презумпции философии воздвигать железные прутья, чтобы извлекать молнии из облаков. и самонадеянность, которая воздвигла их. Он говорил о самонадеянности на Бога, как Петр пытался ходить по воде, и о попытке управлять небесной артиллерией».
Еще в 1770 г. все еще ощущались религиозные сомнения в отношении громоотводов, теория заключалась в том, что, поскольку гром и молния были символами Божественного неудовольствия, было бы нечестием препятствовать тому, чтобы они выполняли свою полную работу. К счастью, профессор Джон Уинтроп из Гарварда проявил мудрость в этом, как и во многих других вещах: в лекции о землетрясениях он выступил против господствующей теологии; а что касается аргументов против жезлов Франклина, он заявил: «Наш долг — защитить себя от воздействия молнии, а также от дождя, снега и ветра с помощью средств, которые Бог дал в наши руки».
Тем не менее, в течение нескольких лет к богословским настроениям приходилось относиться с осторожностью. В Филадельфии популярный лектор по естественным наукам некоторое время после открытия Франклина счел за лучшее в рекламе своих лекций объяснить, что «сооружение громоотводов не обвиняется в самонадеянности и не противоречит ни одному из принципов естественной или богооткровенной религии. »
В Англии первый молниеотвод на церкви не был установлен до 1762 года, через десять лет после открытия Франклина. Шпиль церкви Святой Невесты в Лондоне был сильно поврежден молнией в 1750 году, а в 1764 году шторм настолько разрушил его каменную кладку, что ее пришлось в основном восстанавливать; однако в течение многих лет после этого власти отказывались прикреплять громоотвод. Протестантский собор св. Павла в Лондоне не был защищен до шестнадцати лет после открытия Франклина, а башня великой протестантской церкви в Гамбурге — еще год спустя. Еще в 1783 году в Германии было объявлено с превосходным авторитетом, что в течение тридцати трех лет было повреждено около четырехсот башен и убито сто двадцать звонарей.
В римско-католических странах проявлялся аналогичный предрассудок, и цена его порой была неподъемной. В Австрии церковь Розенберга в горах Каринтии подвергалась ударам так часто и с такими человеческими жертвами, что крестьяне в конце концов боялись ходить на службу. Трижды шпиль перестраивался, и только в 1778 году — через двадцать шесть лет после открытия Франклина — власти разрешили прикрепить стержень. Потом все неприятности прекратились.
Типичным случаем в Италии была башня Святого Марка в Венеции. Несмотря на ангела на ее вершине и колокола, призванные отгонять силы воздуха, реликвии в соседнем соборе и процессии на соседней площади, башня часто повреждалась и даже разрушалась молнией. В 1388 г. он был сильно разрушен; в 1417 г. и снова в 1489 г.деревянный шпиль, возвышающийся над ним, полностью сгорел; он снова был сильно поврежден в 1548, 1565, 1653 годах, а в 1745 году получил такой сильный удар, что вся башня, перестроенная из камня и кирпича, разрушилась в тридцати семи местах.
Точно так же, хотя прекрасная башня Сиенского собора, защищенная всеми возможными богословскими средствами, подвергалась ударам снова и снова, было выказано много противодействия тому, чтобы возложить на нее то, что обычно называют «еретическим жезлом», «но башня была наконец защищена изобретением Франклина, и в 1777 году, хотя очень тяжелый болт прошел по стержню, церковь не получила ни малейшего повреждения Это послужило примирению теологии и науки, насколько это касалось этого города. больше всего обратила итальянских богословов на научную точку зрения церковь Сан-Назаро в Брешии. Венецианская республика хранила в подвалах этой церкви более двухсот тысяч фунтов пороха.
» Далее он утверждает, что в Бостоне возведение больше, чем где-либо еще в Новой Англии, и Бостон, кажется, потрясен сильнее. Ой! нет спасения от могучей руки Божией» 9.0003
Хотя изобретение Франклина было представлено в Италии физиком Беккариа, башня Святого Марка все еще оставалась незащищенной и снова сильно пострадала в 1761 и 1762 годах; и только в 1766 году — через четырнадцать лет после открытия Франклина — на него был помещен громоотвод; и с тех пор он никогда не был поражен.
В 1767 году, семнадцать лет спустя, Франклина, к нему не приставили стержня, в него ударила молния, порох в хранилищах взорвался, шестая часть всего города была разрушена, и погибло более трех тысяч человек9.0003шт.
Единицей заряда является кулон [Кл], что представляет собой количество заряда, переносимого одним ампером тока за одну секунду [Ас]. Это необычно большая единица для большинства повседневных приложений. Суммарный заряд объектов размером с человека с заметным зарядом лучше всего измерять в нанокулонах [нКл] или пикокулонах [пКл].
плотность заряда
Иногда полезнее описать распределение заряда, а не его количество. Это известно как плотность заряда. Подобно плотности массы, которую обычно просто называют плотностью, она бывает трех типов в зависимости от способа распределения заряда (по объему, площади или линии) и двух версий в зависимости от того, предпочитаете ли вы алгебру (средняя и однородные плотности) или исчисления (функции плотности).
В плотности заряда используются те же символы греческих букв, что и в плотности массы. Способ сказать разницу через контекст.
| пробел | алгебраический | исчисление | Единица СИ | ||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| объемный объемный объемный |
|
|
| ||||||||||
| поверхностный, поверхностный, ареальный, ареальный |
|
|
| ||||||||||
| линейный, линейный, линейный |
|
|
|
16.
1: Электрический заряд — Бесплатные тексты по физике- Последнее обновление
- Сохранить как PDF
- Идентификатор страницы
- 19479
- Howard Martin пересмотрено Аланом Нг
- University of Wisconsin-Madison
Вероятно, вы сталкивались или слышали об электрическом заряде в своей жизни. Например, в сухой зимний день вы можете обнаружить, что после трения босыми ногами о ковер из полиэстера вы чувствуете небольшой удар током при прикосновении к металлической поверхности, такой как дверная ручка. Это проявление электрического заряда, который накапливается, когда вы попадаете на дверную ручку. Вероятно, вы также имеете представление о существовании положительных и отрицательных зарядов и о том, что одинаковые заряды отталкиваются друг от друга, а противоположные притягиваются.
В этой главе мы развиваем описание того, как эти заряды могут накапливаться и как они оказывают друг на друга силы притяжения или отталкивания.
Обычное вещество состоит из атомов, которые сами состоят из небольшого положительного ядра (содержащего положительные протоны и нейтральные нейтроны), окруженного «облаком» отрицательно заряженных электронов. Внутри твердого объекта атомы в объекте можно смоделировать как фактически стационарные из-за межатомных сил, которые удерживают атомы вместе. В результате ядра (положительно заряженная часть атомов) можно считать неподвижными в пространстве. Отрицательные электроны, в зависимости от материала, часто могут переходить от одного атома к другому. Если атом отдает электрон другому атому, он становится положительным, тогда как атом, получивший лишний электрон, становится отрицательным.
Мы определяем суммарный заряд атома (или объекта) на основе того, больше ли протонов (положительные), больше электронов (отрицательные) или одинаковое количество (нейтральные).
По умолчанию атомы нейтральны и имеют равное количество протонов и электронов. Причина, по которой что-либо приобретает суммарный электрический заряд, заключается в том, что оно приобрело избыток (или дефицит) электронов от другого объекта. Мы говорим, что «заряд сохраняется», поскольку число электронов не меняется, и если один объект стал положительно заряженным, другой объект должен был стать отрицательно заряженным на ту же величину, так что общий суммарный заряд (во Вселенной) равен нуль.
Когда вы третесь ногами о ковер, электроны удаляются с одной поверхности (ваших ног) и оседают на другой (ковре). Таким образом, ваши ноги приобретают чистый положительный заряд (потеряв электроны). Когда вы прикасаетесь к дверной ручке, маленькая искра исходит от электронов, прыгающих с дверной ручки на ваше тело. Причина, по которой электроны покидают ваши ноги, в первую очередь заключается в том, что разные материалы имеют разное «сродство» к электронам. Когда вы трете два материала друг о друга (размещая их атомы в непосредственной близости), электроны переходят к материалу с самым высоким сродством к электронам.
Этот способ создания чистого заряда на объекте называется «зарядка трением».
«Трибоэлектрический ряд» — это список материалов, которые имеют тенденцию отдавать или приобретать электроны, когда они находятся в тесном контакте друг с другом; некоторые общие материалы из этой серии показаны на рисунке \(\PageIndex{1}\). Наибольший заряд создается при трении материалов, которые находятся дальше всего друг от друга на диаграмме. Натирание шелком куска стекла приводит к большему заряду, чем натирание шерсти на том же куске стекла.
Рисунок \(\PageIndex{1}\): Образец трибоэлектрического ряда материалов. Материалы в правой части имеют наибольшее сродство к получению электронов.Упражнение \(\PageIndex{1}\)
Если потереть стеклянную палочку о шелк, какой объект окажется с избытком электронов?
- стеклянная палочка.
- шелк.
- ни то, ни другое, они остаются нейтральными.
- оба приобретут избыток электронов.
- Ответить
Проводники и изоляторы
Материалы можно разделить на проводников (таких как металлы) и изоляторы (например, дерево), в зависимости от того, насколько легко электроны могут перемещаться в материале.
В проводнике электроны (точнее, внешние электроны атома) лишь слабо связаны со своими ядрами, и поэтому они могут свободно перемещаться по материалу. В изоляторе электроны тесно связаны с ядрами своих атомов и не могут легко перемещаться. Существует третий класс материалов, полупроводники, которые находятся где-то между проводником и изолятором. В полупроводнике электроны обычно связаны со своими атомами, но любые дополнительные электроны, присутствующие в материале, могут перемещаться, как если бы они находились в проводнике.
Внутри проводника, такого как твердая металлическая сфера, заряды могут свободно перемещаться. Если эта сфера имеет общий заряд, например, избыток электронов, эти избыточные электроны будут мигрировать к внешней поверхности сферы. Электроны в сфере отталкиваются друг от друга и быстро занимают положение, в котором они в среднем находятся дальше всего от всех других электронов, что происходит, если все электроны мигрируют на поверхность. Это иллюстрируется отображением зарядов на поверхности заряженной сферы на левой панели рисунка \(\PageIndex{2}\).
Если первоначально нейтральный проводящий шар соединить с заряженным проводником (правая часть рисунка \(\PageIndex{2}\)), то часть электронов будет «проводить» (переходить) на поверхность нейтрального шара. , так что в среднем они дальше от всех остальных электронов. Такой способ добавления заряда к нейтральной сфере называется «зарядка за счет проводимости», и вторая сфера останется заряженной, если связь между сферами разорвется.
Электростатическая индукция
Электростатическая индукция позволяет «индуцировать» заряд, используя тот факт, что заряды могут свободно перемещаться в проводнике. На левой панели рисунка \(\PageIndex{3}\) показан (нейтральный) стержень из проводящего материала с электронами, равномерно распределенными по всему его объему.
На правой панели к стержню поднесена отрицательно заряженная сфера. Поскольку стержень является проводящим, электроны в стержне могут легко двигаться, и поэтому они будут скапливаться на конце стержня, наиболее удаленном от отрицательной сферы (которая отталкивает электроны). Эти электроны оставят положительные заряды (соответствующие атомам, потерявшим свои электроны) на стороне, ближайшей к сфере. Электроны в стержне будут накапливаться только до тех пор, пока сила от отрицательной сферы будет меньше силы отталкивания от уже накопившихся электронов. На практике такое равновесие достигается почти мгновенно. В равновесии мы говорим, что стержень «поляризован» или что «заряды в стержне разделились», хотя в целом стержень все еще остается нейтральным.
Обратите внимание, что мы можем смоделировать это так, как если бы внутри стержня двигались положительные заряды вместо отрицательных. Положительные заряды притягиваются к отрицательной сфере и, таким образом, накапливаются на ближайшем к сфере конце стержня, оставляя отрицательный заряд на другом конце.
Выбор называть электроны «отрицательными» совершенно произволен. Для удобства мы обычно строим модели, предполагая, что положительные заряды могут легко перемещаться, даже если в действительности почти всегда движутся (отрицательные) электроны.
Мы можем создать суммарный заряд на поляризованном стержне, если обеспечим проводящий путь для зарядов, покидающих (или входящих) в стержень. Землю можно смоделировать как очень большой резервуар как положительных, так и отрицательных зарядов. Соединив стержень с Землей (мы говорим, что соединяем стержень с «землей»), мы обеспечиваем путь для электронов в стержне, чтобы они были еще дальше от отрицательно заряженной сферы, и, таким образом, они могут полностью оставить стержень в приказ уйти в землю.
Это показано на правой панели рисунка \(\PageIndex{4}\).
Если мы затем отсоединим стержень от земли, он приобретет общий положительный заряд, как на правой панели. Мы называем это «зарядкой индукцией». Мы также можем думать об этом с точки зрения положительных зарядов, движущихся в стержень от Земли; когда мы соединяем стержень с землей, положительные заряды Земли могут перемещаться в стержень и приближаться к отрицательно заряженной сфере. Если мы отсоединим стержень от земли, стержень останется положительным, как мы заключаем, используя модель, в которой отрицательные заряды движутся 1 .
Рисунок \(\PageIndex{4}\): Индукционная зарядка: когда мы соединяем поляризованный стержень с землей, электроны могут покинуть стержень. Если мы теперь отсоединим стержень от земли, стержень останется с общим положительным зарядом.Сноски
1. Если не задействован магнетизм, невозможно отличить поток положительных зарядов, движущихся в одном направлении, от потока отрицательных зарядов, движущихся в противоположном направлении.
