الشحنة الكهربائية وأنواعها. الجوهر المادي للشحنة الكهربائية
الشحنة الكهربائية هي كمية فيزيائية تميز شدة التفاعل الكهرومغناطيسي بين الأجسام. الشحنة الكهربائية في حد ذاتها غير موجودة، وحاملها لا يمكن أن يكون سوى جسيم من المادة.
الخصائص الأساسية
1. الازدواجية: في الطبيعة هناك شحنات من علامتين، مثل الشحنات تتنافر، والشحنات المتضادة تتجاذب. وفي هذا الصدد، تنقسم الرسوم المشروطة إلى إيجابية وسلبية.
تسمى الشحنة التي يمتلكها قضيب زجاجي يتم فركه بالحرير أو الورق بشحنة موجبة.
سلبي - الشحنة التي تمتلكها عصا الكهرمان أو الأبونيت التي يتم فركها على الفراء أو الصوف.
2. توضيح: إذا كانت الكمية الفيزيائية تأخذ قيمًا منفصلة معينة فقط، فيقال إنها مكممة (منفصلة). تظهر التجربة أن أي شحنة كهربائية هي كمية، أي. يتكون من عدد صحيح من الشحنات الأولية.
حيث =1,2,...عدد صحيح؛ e =1.6·1 -19 C - شحنة أولية.
يمتلك الإلكترون أصغر شحنة سالبة (أولية)، بينما يحمل البروتون شحنة موجبة.
1 كولوم هو الشحنة التي تمر عبر المقطع العرضي للموصل في ثانية واحدة عندما يتدفق تيار مباشر قدره أمبير واحد عبر الموصل.
3. الحفاظ على الشحن.
الشحنات الكهربائية يمكن أن تختفي وتظهر مرة أخرى فقط في أزواج. في كل زوج من هذه الأزواج، تكون الشحنات متساوية في الحجم ومتعاكسة في الإشارة. على سبيل المثال، يفني الإلكترون والبوزيترون عندما يلتقيان، أي. تتحول إلى فوتونات g محايدة، وتختفي الشحنات –e و+e. خلال عملية تسمى إنتاج الزوج، يتحول الفوتون g، الذي يدخل مجال النواة الذرية، إلى زوج من الجسيمات، إلكترون وبوزيترون، وتنشأ الشحنات +e و –e.
قانون حفظ الشحنة:في نظام معزول، يظل المجموع الجبري للشحنات ثابتًا لجميع التغييرات داخل النظام.
معزولهو نظام من الهيئات التي لا تتبادل الاتهامات مع البيئة الخارجية.
4. الثباتتهمة لمختلف الأطر المرجعية بالقصور الذاتي.
تظهر التجربة أن حجم الشحنة لا يعتمد على سرعة حركة الجسم المشحون. نفس الشحنة المقاسة في إطارات تقارير قصورية مختلفة هي نفسها.
5. المضافة: .
تصنيف الرسوم.
اعتمادا على حجم الجسم المشحون، يتم تقسيم الشحنات إلى نقطة وممتدة.
· الشحنة النقطية هي جسم مشحون يمكن إهمال أبعاده في ظروف هذه المشكلة.
· يمتد شحن الجسم الذي لا يمكن إهمال أبعاده في ظروف هذه المشكلة. تنقسم الشحنات الممتدة إلى رسوم خطية وسطحية وحجمية.
من خلال القدرة على التحول بالنسبة إلى موضع التوازن تحت تأثير الكهرباء الخارجية. الحقول، وتنقسم الرسوم تقليديا إلى حرة، ملزمة وغريبة.
حرتسمى الشحنات التي يمكنها التحرك بحرية في الجسم تحت تأثير الكهرباء الخارجية. مجالات.
متعلق بتسمى الشحنات التي تشكل جزءًا من الجزيئات العازلة التي تقع تحت تأثير الكهرباء. يمكن للحقول أن تتحرك فقط من موضع توازنها، ولكن لا يمكنها مغادرة الجزيء.
طرف ثالثتسمى الشحنات الموجودة على العازل الكهربائي، ولكنها ليست جزءًا من جزيئاته.
تم إنشاء القانون الذي يحكم قوة التفاعل بين الشحنات النقطية بشكل تجريبي في عام 1785. قلادة.
قانون كولوم: قوة التفاعل بين شحنتين نقطيتين ثابتتين تتناسب طرديا مع الشحنات، وعكسيا مع مربع المسافة بينهما، وموجهة على طول الخط المستقيم الذي يربط الشحنات، وتعتمد على البيئة التي توجد فيها.
حيث ف 1، ف 2 - قيم الشحن؛ r هي المسافة بين الشحنات.
8.85 1 -12 C 2 / (ن م 2) - ثابت كهربائي،
e هو ثابت العزل الكهربائي للوسط.
يوضح ثابت العزل الكهربائي لمادة ما عدد المرات التي تكون فيها قوة التفاعل بين الشحنات في عازل معين أقل منها في الفراغ، الفراغ = 1، وهي كمية بلا أبعاد.
دعونا نفسر سبب هذا الضعف من خلال النظر في كرة مشحونة محاطة بمادة عازلة. يقوم مجال الكرة بتوجيه جزيئات العازل، وتظهر الشحنات السالبة على سطح العازل المجاور للكرة.
سيتم إنشاء المجال عند أي نقطة من العازل بواسطة كرتين مشحونتين بشكل متعاكس: سطح الكرة، مشحون بشحنة موجبة، وسطح العازل ذو الشحنة السالبة المجاور له، في حين يتم طرح مجال الشحنات المقيدة من مجال شحنات مجانية، وسيكون إجمالي المجال أضعف من مجال كرة واحدة.
1. قوة المجال الكهروستاتيكي. مبدأ تراكب المجالات الكهربائية. تدفق المتجهات.
أي شحنة تغير خصائص المساحة المحيطة بها - فهي تخلق مجالًا كهربائيًا فيها.
المجال الكهربائي هو أحد أشكال وجود المادة المحيطة بالشحنات الكهربائية. يتجلى هذا المجال في حقيقة أن الشحنة الكهربائية الموضوعة في أي نقطة تكون تحت تأثير القوة.
تم تقديم مفهوم المجال الكهربائي إلى العلوم في الثلاثينيات من القرن التاسع عشر على يد العلماء الإنجليز مايكل فاراداي.
وفقًا لفاراداي، كل شحنة كهربائية محاطة بالمجال الكهربائي الذي تولده، لذلك تسمى هذه الشحنة أحيانًا بشحنة المصدر. تسمى الشحنة التي يتم من خلالها دراسة مجال شحنة المصدر بشحنة الاختبار.
لكي تحدد القوة المؤثرة على شحنة الاختبار المجال عند نقطة معينة؛ يجب أن تكون شحنة الاختبار عبارة عن شحنة نقطية.
تهمة نقطةيسمى الجسم المشحون الذي يمكن إهمال أبعاده في ظروف هذه المشكلة أي. والتي تكون أبعادها صغيرة مقارنة بالمسافات التي تفصلها عن الأجسام الأخرى التي تتفاعل معها. في هذه الحالة، يجب أن يكون المجال الكهربائي لشحنة الاختبار صغيرًا جدًا بحيث لا يغير مجال شحنة المصدر. كلما كان حجم الجسم المشحون أصغر وكان مجاله أضعف مقارنة بمجال مصدر الشحنة، كلما كان هذا الجسم المشحون أكثر دقة يفي بشرط شحنة الاختبار.
ينتشر المجال الكهربي في الفراغ بسرعة c = 3·1 8 .
مجال الشحنات الكهربائية الثابتة هو كهرباء.
باستخدام شحنة اختبارية، نقوم بدراسة المجال الناتج عن شحنة ثابتة - المصدر.
تعتمد القوة المؤثرة على شحنة الاختبار عند نقطة معينة في المجال على حجم شحنة الاختبار. إذا أخذنا شحنات اختبار مختلفة، فإن القوة المؤثرة عليها عند نقطة معينة في المجال ستكون مختلفة.
ومع ذلك، فإن نسبة القوة إلى حجم شحنة الاختبار تظل ثابتة وتميز المجال نفسه. وتسمى هذه النسبة شدة المجال الكهربائي عند نقطة معينة.
قوة المجال الكهربائيهي كمية متجهة تساوي عدديًا القوة التي يعمل بها المجال على وحدة شحنة اختبار إيجابية عند نقطة معينة في المجال وتشترك في الاتجاه مع هذه القوة.
القوة هي السمة الرئيسية للمجال وتميز المجال تمامًا عند كل نقطة من حيث الحجم والاتجاه.
شدة المجال لشحنة نقطية.
وفقا لقانون كولومب
= 
هي شدة المجال الكهربائي لشحنة نقطية على مسافة r من هذه الشحنة.
من الملائم تصوير المجال الكهربائي بيانياً باستخدام صورة لما يسمى بخطوط القوة، أو خطوط التوتر.
خط التوترهو الخط الذي يتطابق ظله عند كل نقطة في اتجاه متجه التوتر عند تلك النقطة.
تبدأ خطوط شدة المجال الناتجة عن الشحنات الثابتة دائمًا وتنتهي عند الشحنات (أو عند اللانهاية) ولا يتم إغلاقها أبدًا. يتم تمثيل المجال الأقوى بخطوط توتر أكثر كثافة. يتم اختيار كثافة الخطوط بحيث يكون عدد الخطوط التي تخترق سطح وحدة الموقع المتعامد مع الخطوط مساوياً للقيمة العددية للمتجه. خطوط التوتر لا تتقاطع أبداً، لأن... إن تقاطعهما يعني وجود اتجاهين مختلفين لمتجه شدة المجال عند نفس النقطة، وهو أمر غير منطقي.
يسمى المجال الذي تكون فيه الشدة في جميع النقاط لها نفس المقدار ونفس الاتجاه متجانسًا. في مثل هذا المجال، تكون خطوط القوة متوازية وكثافتها واحدة في كل مكان، أي في كل مكان. فهي تقع على نفس المسافة من بعضها البعض.
مبدأ التراكب.
إذا تم إنشاء المجال الكهربائي عند نقطة معينة بواسطة عدة شحنات، فإن قوة المجال الناتج تساوي المجموع المتجه لشدة المجال الناتجة عن كل شحنة على حدة.
مبدأ التراكب هو حقيقة تجريبية صالحة حتى في المجالات القوية جدًا. وفقًا لنفس القانون ، لا تتشكل المجالات الكهرومغناطيسية الثابتة فحسب ، بل أيضًا سريعة التغير
دعونا نختار في حقل المتجه حجمًا معينًا محددًا بالسطح S. دعونا نقسم هذا السطح إلى مناطق أولية ذات حجم .
يمكن إدخال عنصر سطحي موجه في الاعتبار. العنصر الموجه للسطح هو متجه طوله يساوي مساحة العنصر، ويتوافق اتجاهه مع الاتجاه العمودي لهذا العنصر. بالنسبة لسطح مغلق، يتم أخذ الوضع الطبيعي الخارجي للسطح. وبما أن اختيار الاتجاه هو تعسفي (مشروط)، فإنه يمكن توجيهه إما في اتجاه واحد من الموقع أو في الاتجاه الآخر، فهو ليس متجهًا حقيقيًا، ولكنه ناقل زائف.
عنصر السطح الاتجاهي,
السطح الابتدائي.
تدفق ناقل التوتر من خلال سطح أولي دي إسيسمى المنتج العددي
حيث a هي الزاوية بين المتجهات و
E n - الإسقاط على الاتجاه الطبيعي.
بعد تلخيص التدفقات عبر جميع المناطق الأولية التي تم تقسيم السطح S إليها، نحصل على التدفق المتجه عبر السطح S.
إن تدفق المتجه عبر السطح S هو التكامل
لسطح مغلق.
التدفق المتجه هو كمية جبرية:
لمجال موحد
 |
يمكن إعطاء تدفق ناقل التوتر تفسيرًا هندسيًا واضحًا: فهو يساوي عدديًا عدد خطوط التوتر التي تعبر سطحًا معينًا.
2. نظرية غاوس للتدفق المتجه وتطبيقها لحساب مجالات الشحنات الممتدة في الفراغ.
بمعرفة شدة المجال لشحنة نقطية، وباستخدام مبدأ التراكب، من الممكن حساب شدة المجال الناتجة عن عدة شحنات نقطية. ومع ذلك، بالنسبة للشحنات الممتدة، يكون تطبيق مبدأ التراكب أمرًا صعبًا. طريقة لحساب الحقول الناتجة عن الشحنات الممتدة اقترحها العالم الألماني غاوس في بداية القرن التاسع عشر.
نظرية غاوس للمجال الكهروستاتيكي في الفراغ.
دعونا نفكر في مجال الشحنة النقطية في الفراغ ونحسب نصف قطر الكرة عبر السطح
شدة المجال عند أي نقطة على سطح الكرة
الكهرباء تحيط بنا من كل جانب. ولكن ذات مرة لم يكن هذا هو الحال. لأن الكلمة نفسها تأتي من الاسم اليوناني لمادة معينة: "الإلكترون"، وباليونانية "العنبر". وأجروا معه تجارب مثيرة للاهتمام تشبه الخدع السحرية. لقد أحب الناس دائمًا المعجزات ، ولكن هنا بدأت تنجذب كل أنواع بقع الغبار والزغب والخيوط والشعر إلى قطعة من العنبر بمجرد فركها بقطعة قماش. أي أن هذا الحجر الذهبي لا يحتوي على أي "مقابض" صغيرة، لكنه يمكنه التقاط الزغب.
في تواصل مع
زملاء الصف
تراكم الكهرباء ومعرفة ذلك
كما حدث تراكم واضح للكهرباء عندما ارتدوا مصنوعات مصنوعة من العنبر: خرز العنبر، ومشابك الشعر العنبر. لا يوجد تفسيرات غير سحر واضح، لا يمكن أن يكون هناك أي شيء. بعد كل شيء، لكي تنجح الحيلة، كان من الضروري فرز الخرز حصريًا بأيدٍ نظيفة وجافة وأثناء الجلوس بملابس نظيفة. والشعر النظيف، الذي يُفرك جيدًا بدبوس الشعر، يعطي شيئًا جميلًا ومرعبًا: هالة من الشعر تلتصق بالأعلى. وحتى طقطقة. وحتى في الظلام هناك ومضات. هذا هو عمل الروح المتطلبة والمتقلبة، وكذلك المخيف وغير المفهوم. لكن الوقت قد حان، ولم تعد الظواهر الكهربائية مجالًا للروح.
لقد بدأوا يطلقون على كل شيء اسم "التفاعل" ببساطة. وذلك عندما بدأنا التجربة. لقد توصلوا إلى آلة خاصة لهذا (الآلة الكهربية)، وجرة لتخزين الكهرباء (جرة ليدن). وجهاز يمكنه بالفعل إظهار بعض "يساوي أكثر أو أقل" فيما يتعلق بالكهرباء (المكشاف الكهربائي). كل ما تبقى هو شرح كل شيءبمساعدة لغة الصيغ القوية بشكل متزايد.
وهكذا توصلت البشرية إلى ضرورة الاعتراف بوجود شحنة كهربائية معينة في الطبيعة. في الواقع، العنوان لا يحتوي على أي اكتشاف. الوسائل الكهربائية المرتبطة بالظواهر والتي بدأت دراستها بسحر العنبر. كلمة "شحنة" تتحدث فقط عن احتمالات غامضة مضمنة في جسم ما، مثل قذيفة مدفع. من الواضح أن الكهرباء يمكن إنتاجها وتخزينها بطريقة ما. وبطريقة ما يجب قياسه. نفس المادة العادية مثلا الزيت.
وبالقياس على المواد، تم التحدث بثقة عن أصغر جزيئاتها (الذرات). منذ زمن ديموقريطسوقررت أن الشحنة يجب أن تتكون بالتأكيد من "جسيمات" صغيرة جدًا - أجسام. عددها في جسم مشحون كبير سيعطي مقدار الشحنة الكهربائية.
الشحنة الكهربائية - قانون حفظ الشحنة
بالطبع، في ذلك الوقت لم يتمكنوا حتى من تخيل عدد هذه "الجسيمات" الكهربائية التي يمكن أن تظهر حتى في جسم مشحون صغير جدًا. ولكن لا تزال هناك حاجة إلى وحدة عملية للشحنة الكهربائية. وبدأوا في اختراعه. من الواضح أن القلادة، التي سُميت هذه الوحدة باسمها لاحقًا، قامت بقياس حجم الشحنات باستخدام الكرات المعدنية التي أجرى بها التجارب، ولكن نسبيًا إلى حد ما. فتحت بلدي قانون كولومب الشهير، حيث كتب جبريًا أن القوة المؤثرة بين شحنتين q1 و q2 مفصولتين بمسافة R تتناسب مع ناتجهما وتتناسب عكسيًا مع مربع المسافة بينهما.
معامل في الرياضيات او درجة كيعتمد على الوسط الذي يحدث فيه التفاعل، لكنه في الفراغ يساوي الوحدة.
ربما، بعد كبلر ونيوتن، لم يكن القيام بمثل هذه الأشياء صعبا للغاية. المسافة سهلة القياس. قام بتقسيم الشحنات جسديًا، ولمس كرة إلى أخرى. اتضح أنه في كرتين متطابقتين، إذا كانت إحداهما مشحونة والأخرى ليست كذلك، عند الاتصال تنقسم الشحنة إلى نصفين - فهي تنتشر عبر الكرتين. وهكذا حصل على قيم كسرية للكمية الأصلية غير المعروفة q.
دراسة تفاعل الشحنات الكهربائيةأخذ قياسات على مسافات مختلفة بين الكرات، وسجل الانحرافات في موازين الالتواء الخاصة به، والتي يتم الحصول عليها عندما تتنافر الكرات المشحونة مع بعضها البعض. على ما يبدو، كان قانونه انتصارا خالصا للجبر، لأن كولومب نفسه لم يكن يعرف وحدة قياس الشحنة "كولوم" وببساطة لا يستطيع أن يعرفها.
وكان النصر الآخر هو اكتشاف حقيقة أن الكمية الإجمالية لنفس الكمية q في الكرات التي كان قادرًا على شحنها بهذه الطريقة ظلت دائمًا دون تغيير. ولهذا أطلق على القانون المفتوح اسم قانون حفظ الشحنة.
س = ف 1 + ف 2 + ف 3 + … + ف ن
وعلينا أن نشيد بدقة العالم وصبره، وكذلك بالشجاعة التي أعلن بها قوانينه، دون أن يكون له وحدة واحدة من مقدار ما درسه.
جزيء من الكهرباء - الحد الأدنى من الشحن
ولم يدركوا إلا لاحقًا أن الشحنة الكهربائية الأولية، أي أصغر الشحنة الكهربائية، هي... الإلكترون. ليس فقط قطعة صغيرة من الكهرمان، بل جسيم صغير لا يمكن وصفه، وهو ليس حتى مادة (تقريبًا)، ولكنه موجود بالضرورة في أي جسم مادي. وحتى في كل ذرة من كل مادة. وليس فقط في الذرات، بل حولها أيضًا. وتلك:
- والتي توجد في الذرات تسمى الإلكترونات المرتبطة.
- ومن حولهم إلكترونات حرة.
ترتبط الإلكترونات بالذرة لأن النواة الذرية تحتوي أيضًا على جسيمات مشحونة - البروتونات، ومن المؤكد أن كل بروتون سوف يجذب إلكترونًا لنفسه. فقط وفقا لقانون كولومب.
والشحنة التي يمكنك رؤيتها أو الشعور بها تنتج من:
- احتكاك،
- الادخار والتراكم
- تفاعل كيميائي،
- الحث الكهرومغناطيسي,
تتكون فقط من الإلكترونات الحرة التي تم طردها من الذرات بسبب سوء الفهم المختلفة:
- من التعرض لذرة أخرى (انبعاث حراري)
- كم الضوء (الانبعاث الضوئي) ولأسباب أخرى
والتجول داخل الأجسام العيانية الضخمة (مثل الشعر).
بالنسبة للإلكترونات، فإن أجسام أجسامنا ضخمة حقًا. تحتوي وحدة الشحن الواحدة (الكولوم) تقريبًا على هذه الكمية من الإلكترونات: ما يزيد قليلاً عن 624,150,912,514,351,000. يبدو الأمر كالتالي: 624 كوادريليون 150 تريليون 912 مليار 514 مليون 351 ألف إلكترون في كولوم واحد من الشحنة الكهربائية.
والقلادة كمية بسيطة جداً وقريبة منا. والكولوم هو نفس الشحنة يتدفق خلال ثانية واحدة عبر المقطع العرضي للموصل إذا كان التيار المار فيه بقوة واحد أمبير. أي عند 1 أمبير لكل ثانية، فقط هذه الـ 624 كوادريليون... سوف تومض الإلكترونات عبر المقطع العرضي للسلك.
إن الإلكترونات متحركة للغاية وتتحرك بسرعة كبيرة داخل الأجسام المادية، بحيث تقوم بتشغيل المصباح الكهربائي في لحظة، بمجرد أن نضغط على المفتاح. ولهذا السبب فإن تفاعلنا الكهربائي سريع جدًا لدرجة أن الأحداث التي تسمى "إعادة التركيب" تحدث كل ثانية. يجد الإلكترون الهارب الذرة التي هرب منها الإلكترون للتو ويشغل مساحة حرة فيها.
عدد هذه الأحداث في الثانية أيضًا هو في حدود... حسنًا، الجميع يتخيل هذا بالفعل. وتتكرر هذه الأحداث بشكل مستمر عندما تخرج الإلكترونات من الذرات ثم تعود إلى الذرات. يهربون ويعودون. هذه هي حياتهم، وبدونها لا يمكن أن توجد ببساطة. وبفضل هذا فقط توجد الكهرباء - ذلك النظام الذي أصبح جزءًا من حياتنا وراحتنا وتغذيتنا والحفاظ عليها.
الاتجاه الحالي. من المسؤول عن رعايتنا؟
هذا هو الشيء الوحيد المتبقي وهو فضول صغير يعرفه الجميع، لكن لا أحد من علماء الفيزياء يريد تصحيحه.
عندما لعب كولومب الحيل بكراته، رأوا أن هناك نوعين من الشحنات. والشحنات من نفس النوع تتنافر، والشحنات من الأنواع المختلفة تتجاذب. وكان من الطبيعي أن نذكر بعضاً منهم إيجابية وغيرها سلبية. ونفترض أن التيار الكهربائي يتدفق من حيث يوجد أكثر إلى حيث يوجد أقل. أي من الزائد إلى الناقص. لذلك ظلت عالقة في أذهان الفيزيائيين لعدة أجيال.
ولكن بعد ذلك لم تكن الإلكترونات هي التي تم اكتشافها أولاً، بل الأيونات. هذه هي بالضبط تلك الذرات التي لا يمكن عزاءها والتي فقدت إلكترونها. يوجد في النواة بروتون "إضافي" وبالتالي فهي مشحونة. حسنًا، عندما اكتشفوا ذلك، تنهدوا على الفور وقالوا - ها أنت شحنتنا الإيجابية. واكتسب البروتون سمعة أنه جسيم موجب الشحنة.
وبعد ذلك أدركوا أن الذرات غالبًا ما تكون محايدة لأن الشحنة الكهربائية للنواة متوازنة مع شحنة الأغلفة الإلكترونية التي تدور حول النواة. أي أنهم بنوا نموذجًا كوكبيًا للذرة. وعندها فقط أدركوا أن الذرات تشكل كل المادة (تقريبًا)، أو شبكتها البلورية الصلبة، أو الكتلة الكاملة لجسمها السائل. وهذا يعني أن البروتونات مع النيوترونات تستقر بقوة في نوى الذرات. وليس تحت أمرك، مثل الضوء والإلكترونات المتحركة. وبالتالي، فإن التيار لا يتدفق من الموجب إلى الناقص، بل على العكس من ذلك، من الناقص إلى الموجب.
كلمة الكهرباء تأتي من الاسم اليوناني للكهرمان - ελεκτρον
.
العنبر هو الراتنج المتحجر للأشجار الصنوبرية. لاحظ القدماء أنه إذا قمت بفرك الكهرمان بقطعة قماش، فسوف يجذب الأجسام الخفيفة أو الغبار. ويمكن ملاحظة هذه الظاهرة، التي نسميها اليوم بالكهرباء الساكنة، عن طريق فرك قضيب من الإيبونيت أو الزجاج أو مجرد مسطرة بلاستيكية بقطعة قماش.
تجذب المسطرة البلاستيكية، التي تم فركها جيدًا بمنديل ورقي، قطعًا صغيرة من الورق (الشكل 22.1). ربما تكون قد شاهدت تفريغًا للكهرباء الساكنة أثناء تمشيط شعرك أو خلع قميصك أو قميصك المصنوع من النايلون. ربما تعرضت لصدمة كهربائية عندما لمست مقبض الباب المعدني بعد الوقوف من مقعد السيارة أو المشي على سجادة صناعية. في كل هذه الحالات، يكتسب الجسم شحنة كهربائية من خلال الاحتكاك؛ يقولون أن الكهربة تحدث عن طريق الاحتكاك.
هل جميع الشحنات الكهربائية متشابهة أم أن هناك أنواع مختلفة؟ وتبين أن هناك نوعين من الشحنات الكهربائية، ويمكن إثبات ذلك من خلال التجربة البسيطة التالية. قم بتعليق مسطرة بلاستيكية من المنتصف على خيط وافركها جيدًا بقطعة من القماش. إذا أحضرنا الآن مسطرة مكهربة أخرى إليها، فسنجد أن المساطر تتنافر (الشكل 22.2، أ).
بنفس الطريقة، عند إحضار قضيب زجاجي مكهرب آخر إلى أحدهما، سنلاحظ تنافرهما (الشكل 22.2،6). إذا تم إحضار قضيب زجاجي مشحون إلى مسطرة بلاستيكية مكهربة، فسوف ينجذبون (الشكل 22.2، ج). يبدو أن المسطرة لها نوع مختلف من الشحنة عن القضيب الزجاجي.
لقد ثبت تجريبياً أن جميع الأجسام المشحونة تنقسم إلى فئتين: إما أنها تنجذب إلى البلاستيك ويصدها الزجاج، أو على العكس، يصدها البلاستيك وينجذبها الزجاج. يبدو أن هناك نوعين من الشحنات، شحنات من نفس النوع تتنافر، وشحنات من أنواع مختلفة تتجاذب. نقول إن الشحنات المتشابهة تتنافر، والشحنات المتباينة تتجاذب.
وقد أطلق رجل الدولة والفيلسوف والعالم الأمريكي بنجامين فرانكلين (1706-1790) على هذين النوعين من الشحنات اسم الإيجابية والسلبية. لم يحدث أي فرق على الإطلاق في تحديد الرسوم التي يجب الاتصال بها؛
اقترح فرانكلين اعتبار شحنة قضيب زجاجي مكهرب موجبة. وفي هذه الحالة فإن الشحنة التي تظهر على المسطرة البلاستيكية (أو الكهرمانية) ستكون سالبة. ولا تزال هذه الاتفاقية سارية حتى اليوم.
كانت نظرية فرانكلين للكهرباء في الواقع عبارة عن مفهوم "السائل الواحد": حيث كان يُنظر إلى الشحنة الموجبة على أنها زيادة في "السائل الكهربائي" عن محتواه الطبيعي في جسم معين، والشحنة السالبة على أنها نقص. جادل فرانكلين أنه عندما تنشأ شحنة معينة في جسم ما، نتيجة لعملية ما، فإن نفس الكمية من الشحنة من النوع المعاكس تنشأ في وقت واحد في جسم آخر. ولذلك ينبغي فهم الأسماء "الموجبة" و"السالبة" بالمعنى الجبري، بحيث تكون الشحنة الإجمالية التي تكتسبها الأجسام في أي عملية تساوي دائمًا الصفر.
على سبيل المثال، عند فرك مسطرة بلاستيكية بمنديل ورقي، تكتسب المسطرة شحنة سالبة، ويكتسب المنديل شحنة موجبة متساوية. هناك فصل بين الشحنات، لكن مجموعها صفر.
وهذا المثال يوضح الراسخ قانون حفظ الشحنة الكهربائيةالذي يقرأ:
إجمالي الشحنة الكهربائية الناتجة عن أي عملية تساوي صفرًا.
لم يتم ملاحظة الانحرافات عن هذا القانون أبدًا، لذلك يمكننا اعتباره راسخًا مثل قوانين الحفاظ على الطاقة والزخم.
الشحنات الكهربائية في الذرات
فقط في القرن الماضي أصبح من الواضح أن سبب وجود الشحنة الكهربائية يكمن في الذرات نفسها. سنناقش لاحقًا بنية الذرة وتطور الأفكار حولها بمزيد من التفصيل. سنناقش هنا بإيجاز الأفكار الرئيسية التي ستساعدنا على فهم طبيعة الكهرباء بشكل أفضل.
وفقا للمفاهيم الحديثة، تتكون الذرة (المبسطة إلى حد ما) من نواة ثقيلة موجبة الشحنة محاطة بواحد أو أكثر من الإلكترونات سالبة الشحنة.
في الحالة الطبيعية، تكون الشحنات الموجبة والسالبة في الذرة متساوية في الحجم، وتكون الذرة ككل متعادلة كهربائيًا. ومع ذلك، يمكن للذرة أن تفقد أو تكتسب إلكترونًا واحدًا أو أكثر. فتكون شحنتها موجبة أو سالبة، وتسمى هذه الذرة أيونا.
في المادة الصلبة، يمكن أن تهتز النوى، وتبقى بالقرب من مواقع ثابتة، بينما تتحرك بعض الإلكترونات بحرية تامة. يمكن تفسير كهربة الاحتكاك من خلال حقيقة أن النوى في المواد المختلفة تحمل إلكترونات ذات قوة مختلفة.
عندما تكتسب المسطرة البلاستيكية التي يتم فركها بمنديل ورقي شحنة سالبة، فهذا يعني أن الإلكترونات الموجودة في المنديل الورقي تكون أقل إحكامًا منها في البلاستيك، وينتقل بعضها من المنديل إلى المسطرة. الشحنة الموجبة للمنديل تساوي في الحجم الشحنة السالبة التي اكتسبتها المسطرة.
عادةً، تحتفظ الأجسام المكهربة بالاحتكاك بشحنة لفترة من الوقت ثم تعود في النهاية إلى حالة محايدة كهربائيًا. أين تذهب التهمة؟ إنه "ينضب" على جزيئات الماء الموجودة في الهواء.
والحقيقة هي أن جزيئات الماء قطبية: على الرغم من أنها بشكل عام محايدة كهربائيًا، إلا أن الشحنة فيها ليست موزعة بشكل موحد (الشكل 22.3). لذلك، فإن الإلكترونات الزائدة من المسطرة المكهربة سوف "تستنزف" في الهواء، وتنجذب إلى المنطقة الموجبة الشحنة من جزيء الماء.
من ناحية أخرى، سيتم تحييد الشحنة الإيجابية للجسم بواسطة الإلكترونات، التي يتم الاحتفاظ بها بشكل ضعيف بواسطة جزيئات الماء في الهواء. في الطقس الجاف، يكون تأثير الكهرباء الساكنة أكثر وضوحًا: يوجد عدد أقل من جزيئات الماء في الهواء ولا تتدفق الشحنة بسرعة. في الطقس الرطب والممطر، لا يتمكن المنتج من الاحتفاظ بشحنته لفترة طويلة.
العوازل والموصلات
لنفترض أن هناك كرتان معدنيتان، إحداهما مشحونة للغاية والأخرى متعادلة كهربائيًا. إذا قمنا بتوصيلها بمسمار حديدي، على سبيل المثال، فإن الكرة غير المشحونة ستكتسب شحنة كهربائية بسرعة. إذا لمسنا الكرتين في نفس الوقت بعصا خشبية أو قطعة مطاطية، فإن الكرة التي لا تحتوي على شحنة ستبقى غير مشحونة. تسمى المواد مثل الحديد موصلات للكهرباء؛ يُطلق على الخشب والمطاط اسم المواد غير الموصلة أو العوازل.
تعتبر المعادن موصلات جيدة بشكل عام؛ معظم المواد الأخرى عبارة عن عوازل (ومع ذلك، فإن العوازل توصل الكهرباء قليلاً). ومن المثير للاهتمام أن جميع المواد الطبيعية تقريبًا تقع ضمن إحدى هاتين الفئتين المختلفتين تمامًا.
ومع ذلك، هناك مواد (من بينها السيليكون والجرمانيوم والكربون) تنتمي إلى فئة متوسطة (ولكنها منفصلة بشكل حاد أيضًا). يطلق عليهم أشباه الموصلات.
من وجهة نظر النظرية الذرية، ترتبط الإلكترونات الموجودة في العوازل بالنوى بشكل وثيق للغاية، بينما في الموصلات، ترتبط العديد من الإلكترونات بشكل ضعيف جدًا ويمكنها التحرك بحرية داخل المادة.
عندما يتم تقريب جسم مشحون بشحنة موجبة من موصل أو لمسه، تتحرك الإلكترونات الحرة بسرعة نحو الشحنة الموجبة. إذا كان الجسم مشحونا سلبا، فإن الإلكترونات، على العكس من ذلك، تميل إلى الابتعاد عنه. يوجد في أشباه الموصلات عدد قليل جدًا من الإلكترونات الحرة، وفي العوازل تكون غائبة عمليًا.
تهمة المستحثة. المكشاف الكهربائي
دعونا نحضر جسمًا معدنيًا موجب الشحنة إلى جسم معدني آخر (محايد).
عند التلامس، تنجذب الإلكترونات الحرة من الجسم المحايد إلى الجسم الموجب الشحنة وينتقل بعضها إليه. وبما أن الجسم الثاني يفتقر الآن إلى عدد معين من الإلكترونات سالبة الشحنة، فإنه يكتسب شحنة موجبة. وتسمى هذه العملية بالكهرباء بسبب التوصيل الكهربائي.
دعونا الآن نقرب الجسم المشحون بشحنة موجبة من القضيب المعدني المتعادل، ولكن حتى لا يتلامسا. على الرغم من أن الإلكترونات لن تترك القضيب المعدني، إلا أنها ستتحرك نحو الجسم المشحون؛ ستنشأ شحنة موجبة في الطرف المقابل للقضيب (الشكل 22.4). في هذه الحالة، يقال أنه يتم حث (أو حث) شحنة عند طرفي القضيب المعدني. وبطبيعة الحال، لم تنشأ أي شحنات جديدة: فقد انفصلت الشحنات ببساطة، ولكن بشكل عام بقي القضيب محايدًا كهربائيًا. ومع ذلك، إذا أردنا الآن قطع القضيب بالعرض في المنتصف، فسنحصل على جسمين مشحونين - أحدهما بشحنة سالبة، والآخر بشحنة موجبة.
يمكنك أيضًا توصيل شحنة إلى جسم معدني عن طريق توصيله بسلك بالأرض (أو، على سبيل المثال، بأنبوب ماء يدخل إلى الأرض)، كما هو موضح في الشكل. 22.5، أ. يقال أن الموضوع مؤرض. ونظرًا لحجمها الهائل، تقبل الأرض الإلكترونات وتتخلى عنها؛ يعمل كخزان شحن. إذا أحضرت جسمًا مشحونًا، على سبيل المثال، سلبيًا، بالقرب من المعدن، فسيتم صد الإلكترونات الحرة للمعدن وسيذهب الكثير منها على طول السلك إلى الأرض (الشكل 22.5،6). سيتم شحن المعدن بشكل إيجابي. إذا قمت الآن بفصل السلك، ستبقى شحنة موجبة على المعدن. ولكن إذا قمت بذلك بعد إزالة الجسم المشحون سالبًا من المعدن، فسيكون لدى جميع الإلكترونات وقت للعودة وسيظل المعدن محايدًا كهربائيًا.
يتم استخدام المكشاف الكهربائي (أو مقياس كهربائي بسيط) للكشف عن الشحنات الكهربائية.
كما يظهر في الشكل. 22.6، يتكون من جسم يوجد بداخله ورقتان متحركتان، غالبًا ما تكون مصنوعة من الذهب. (في بعض الأحيان يتم تحريك ورقة واحدة فقط.) يتم تثبيت الأوراق على قضيب معدني معزول عن الجسم وينتهي من الخارج بكرة معدنية. إذا قمت بإحضار جسم مشحون بالقرب من الكرة، يحدث فصل الشحنات في القضيب (الشكل 22.7، أ)، وتتحول الأوراق إلى أن تكون مشحونة بالمثل وتتنافر، كما هو موضح في الشكل.
يمكنك شحن القضيب بالكامل بسبب التوصيل الكهربائي (الشكل 22.7، ب). على أية حال، كلما زادت الشحنة، كلما تباعدت الأوراق.
ومع ذلك، لاحظ أنه لا يمكن تحديد إشارة الشحنة بهذه الطريقة: فالشحنة السالبة ستفصل بين الأوراق بنفس المسافة تمامًا مثل الشحنة الموجبة. ومع ذلك، يمكن استخدام المكشاف الكهربائي لتحديد إشارة الشحنة، ولهذا يجب أولاً إعطاء القضيب شحنة سالبة، على سبيل المثال (الشكل 22.8، أ). إذا قمت الآن بإحضار جسم مشحون بشحنة سالبة إلى كرة المكشاف الكهربائي (الشكل 22.8،6)، فسوف تنتقل الإلكترونات الإضافية إلى الأوراق وسوف تتباعد أكثر. على العكس من ذلك، إذا تم إحضار شحنة موجبة إلى الكرة، فسوف تتحرك الإلكترونات بعيدا عن الأوراق وسوف تقترب (الشكل 22.8، ج)، حيث أن شحنتها السلبية ستنخفض.
تم استخدام المكشاف الكهربائي على نطاق واسع في فجر الهندسة الكهربائية. تعمل أجهزة قياس الكهربية الحديثة الحساسة للغاية على نفس المبدأ عند استخدام الدوائر الإلكترونية.
يعتمد هذا المنشور على مواد من كتاب د. جيانكولي. "الفيزياء في مجلدين" 1984 المجلد 2.
يتبع. نبذة مختصرة عن المنشور التالي:
قوة Fالتي يعمل بها جسم مشحون على جسم مشحون آخر، يتناسب مع ناتج شحناتهم س 1 و س 2 ويتناسب عكسيا مع مربع المسافة صبينهم.
يتم قبول التعليقات والاقتراحات ومرحبا بكم!
ملخص عن الهندسة الكهربائية
أكمله: أجافونوف رومان
كلية لوغا للصناعات الزراعية
من المستحيل إعطاء تعريف مختصر للتهمة يكون مرضيا من جميع النواحي. لقد اعتدنا على إيجاد تفسيرات مفهومة للتكوينات والعمليات المعقدة للغاية مثل الذرة والبلورات السائلة وتوزيع الجزيئات حسب السرعة وما إلى ذلك. لكن المفاهيم الأساسية والأساسية، التي لا يمكن تقسيمها إلى مفاهيم أبسط، والتي تخلو، وفقًا للعلم اليوم، من أي آلية داخلية، لم يعد من الممكن شرحها بإيجاز بطريقة مرضية. خاصة إذا كانت الأشياء لا تدركها حواسنا مباشرة. هذه هي المفاهيم الأساسية التي تشير إليها الشحنة الكهربائية.
دعونا أولا نحاول معرفة ليس ما هي الشحنة الكهربائية، ولكن ما هو مخفي وراء العبارة: هذا الجسم أو الجسيم لديه شحنة كهربائية.
أنت تعلم أن جميع الأجسام مبنية من جزيئات صغيرة، غير قابلة للتجزئة إلى جزيئات أبسط (بقدر ما يعرفه العلم الآن)، والتي تسمى بالتالي أولية. جميع الجسيمات الأولية لها كتلة، ونتيجة لذلك تنجذب إلى بعضها البعض. ووفقاً لقانون الجذب العام، فإن قوة الجذب تتناقص ببطء نسبياً مع زيادة المسافة بينهما: بما يتناسب عكسياً مع مربع المسافة. بالإضافة إلى ذلك، فإن معظم الجسيمات الأولية، وإن لم تكن كلها، لديها القدرة على التفاعل مع بعضها البعض بقوة تتناقص أيضًا عكسيًا مع مربع المسافة، لكن هذه القوة أكبر بعدد هائل من المرات من قوة الجاذبية. . وهكذا، في ذرة الهيدروجين، الموضحة تخطيطيًا في الشكل 1، ينجذب الإلكترون إلى النواة (البروتون) بقوة أكبر 1039 مرة من قوة الجاذبية.
إذا تفاعلت الجسيمات مع بعضها البعض بقوى تتناقص ببطء مع زيادة المسافة وتكون أكبر بعدة مرات من قوى الجاذبية، فيقال إن هذه الجسيمات لها شحنة كهربائية. تسمى الجسيمات نفسها مشحونة. هناك جسيمات بدون شحنة كهربائية، لكن لا توجد شحنة كهربائية بدون جسيم.
التفاعلات بين الجسيمات المشحونة تسمى الكهرومغناطيسية. عندما نقول أن الإلكترونات والبروتونات مشحونة كهربائيا، فهذا يعني أنها قادرة على تفاعلات من نوع معين (الكهرومغناطيسية)، وليس أكثر. إن قلة الشحن على الجزيئات تعني أنها لا تكتشف مثل هذه التفاعلات. تحدد الشحنة الكهربائية شدة التفاعلات الكهرومغناطيسية، تمامًا كما تحدد الكتلة شدة التفاعلات الجاذبية. الشحنة الكهربائية هي ثاني أهم خاصية (بعد الكتلة) للجسيمات الأولية، والتي تحدد سلوكها في العالم المحيط.
هكذا
الشحنة الكهربائية هي كمية عددية فيزيائية تميز خاصية الجسيمات أو الأجسام للدخول في تفاعلات القوة الكهرومغناطيسية.
يُرمز للشحنة الكهربائية بالحرفين q أو Q.
تمامًا كما هو الحال في الميكانيكا، غالبًا ما يتم استخدام مفهوم النقطة المادية، مما يجعل من الممكن تبسيط حل العديد من المشكلات بشكل كبير، عند دراسة تفاعل الشحنات، يكون مفهوم الشحنة النقطية فعالاً. الشحنة النقطية هي جسم مشحون تكون أبعاده أقل بكثير من المسافة من هذا الجسم إلى نقطة المراقبة والأجسام المشحونة الأخرى. على وجه الخصوص، إذا تحدثوا عن تفاعل رسوم نقطتين، فإنهم يفترضون أن المسافة بين الجثث المشحونة قيد النظر أكبر بكثير من أبعادها الخطية.
إن الشحنة الكهربائية لجسيم أولي ليست "آلية" خاصة في الجسيم يمكن إزالتها منه وتحللها إلى الأجزاء المكونة له وإعادة تجميعها. فوجود شحنة كهربائية على الإلكترون والجسيمات الأخرى لا يعني إلا وجود تفاعلات معينة بينها.
توجد في الطبيعة جسيمات ذات شحنات ذات إشارات متضادة. تسمى شحنة البروتون موجبة، وشحنة الإلكترون تسمى سالبة. إن الإشارة الإيجابية لشحنة ما على الجسيم لا تعني بالطبع أن لها أي مزايا خاصة. إن إدخال شحنات من علامتين يعبر ببساطة عن حقيقة أن الجسيمات المشحونة يمكن أن تجتذب وتتنافر. إذا كانت إشارات الشحنة واحدة، تتنافر الجزيئات، وإذا كانت إشارات الشحنة مختلفة، تتجاذب.
لا يوجد حاليًا أي تفسير لأسباب وجود نوعين من الشحنات الكهربائية. وعلى أية حال، لا توجد فروق جوهرية بين الشحنات الإيجابية والسلبية. ولو تغيرت إشارات الشحنات الكهربائية للجسيمات إلى العكس فإن طبيعة التفاعلات الكهرومغناطيسية في الطبيعة لن تتغير.
الشحنات الموجبة والسالبة متوازنة بشكل جيد للغاية في الكون. وإذا كان الكون محدودًا، فإن إجمالي شحنته الكهربائية، على الأرجح، يساوي الصفر.
والأمر الأكثر روعة هو أن الشحنة الكهربائية لجميع الجسيمات الأولية لها نفس الحجم تمامًا. هناك حد أدنى من الشحنة، يُسمى بالشحنة الأولية، تمتلكه جميع الجسيمات الأولية المشحونة. يمكن أن تكون الشحنة موجبة مثل البروتون، أو سالبة مثل الإلكترون، ولكن معامل الشحن هو نفسه في جميع الحالات.
فمن المستحيل فصل جزء من الشحنة، على سبيل المثال، عن الإلكترون. ربما يكون هذا هو الشيء الأكثر إثارة للدهشة. لا توجد نظرية حديثة يمكنها تفسير سبب تشابه شحنات جميع الجسيمات، كما أنها غير قادرة على حساب قيمة الحد الأدنى للشحنة الكهربائية. يتم تحديده تجريبيا باستخدام تجارب مختلفة.
في ستينيات القرن العشرين، بعد أن بدأ عدد الجسيمات الأولية المكتشفة حديثًا في النمو بشكل مثير للقلق، تم الافتراض بأن جميع الجسيمات المتفاعلة بقوة هي مركبات. المزيد من الجسيمات الأساسية كانت تسمى الكواركات. ما كان ملفتًا للنظر هو أن الكواركات يجب أن تحتوي على شحنة كهربائية كسرية: 1/3 و2/3 من الشحنة الأولية. لبناء البروتونات والنيوترونات، يكفي نوعان من الكواركات. ويبدو أن الحد الأقصى لعددهم لا يتجاوز ستة.
من المستحيل إنشاء معيار مجهري لوحدة الشحنة الكهربائية، مشابهًا لمعيار الطول - المتر، وذلك بسبب التسرب الحتمي للشحنة. سيكون من الطبيعي اعتبار شحنة الإلكترون واحدة (وهذا ما يتم فعله الآن في الفيزياء الذرية). لكن في زمن كولوم، لم يكن وجود الإلكترونات في الطبيعة معروفًا بعد. بالإضافة إلى ذلك، فإن شحنة الإلكترون صغيرة جدًا وبالتالي يصعب استخدامها كمعيار.
في النظام الدولي للوحدات (SI)، يتم تحديد وحدة الشحن، الكولوم، باستخدام وحدة التيار:
1 كولوم (C) هي الشحنة التي تمر عبر المقطع العرضي للموصل خلال ثانية واحدة عند تيار 1 أ.
شحنة 1 C كبيرة جدًا. إن اثنتين من هذه الشحنات على مسافة كيلومتر واحد سوف تتنافران بقوة أقل بقليل من القوة التي تجذب بها الكرة الأرضية حمولة تزن 1 طن، لذلك، من المستحيل نقل شحنة مقدارها 1 درجة مئوية إلى جسم صغير (حوالي حجمها بضعة أمتار). لن تتمكن الجزيئات المشحونة التي تتنافر من بعضها البعض من البقاء على مثل هذا الجسم. لا توجد قوى أخرى في الطبيعة قادرة على التعويض عن تنافر كولوم في ظل هذه الظروف. لكن في الموصل الذي يكون محايدًا بشكل عام، ليس من الصعب تحريك شحنة مقدارها 1 درجة مئوية. في الواقع، في المصباح الكهربائي العادي بقوة 100 واط بجهد 127 فولت، يتم إنشاء تيار أقل بقليل من 1 أ. وفي الوقت نفسه، خلال 1 ثانية، تمر عبر الصليب شحنة تساوي تقريبًا 1 درجة مئوية. -قسم الموصل.
يستخدم مقياس الكهربية لكشف وقياس الشحنات الكهربائية. يتكون مقياس الكهربية من قضيب معدني ومؤشر يمكن أن يدور حول محور أفقي (الشكل 2). تم تثبيت القضيب مع السهم في غلاف زجاجي ووضعه في علبة معدنية أسطوانية مغلقة بأغطية زجاجية.
مبدأ تشغيل مقياس الكهربية. دعونا نلمس قضيب الشحنة الموجبة بقضيب مقياس الكهربية. سنرى أن إبرة مقياس الكهربية تنحرف بزاوية معينة (انظر الشكل 2). يتم تفسير دوران السهم بحقيقة أنه عندما يتلامس جسم مشحون مع قضيب مقياس الكهربية، تتوزع الشحنات الكهربائية على طول السهم والقضيب. تؤدي القوى التنافرية المؤثرة بين الشحنات الكهربائية المتشابهة على القضيب والمؤشر إلى دوران المؤشر. لنقم بكهربة قضيب الإيبونيت مرة أخرى ونلمس قضيب مقياس الكهربية به مرة أخرى. تظهر التجربة أنه مع زيادة الشحنة الكهربائية على القضيب، تزداد زاوية انحراف السهم عن الوضع الرأسي. وبالتالي، من خلال زاوية انحراف إبرة مقياس الكهربية، يمكن الحكم على قيمة الشحنة الكهربائية المنقولة إلى قضيب مقياس الكهربية.
يتيح لنا مجموع الحقائق التجريبية المعروفة تسليط الضوء على الخصائص التالية للشحنة:
هناك نوعان من الشحنات الكهربائية، تسمى تقليديًا الإيجابية والسلبية. الأجسام المشحونة بشكل إيجابي هي تلك التي تعمل على الأجسام المشحونة الأخرى بنفس الطريقة التي يعمل بها الزجاج المكهرب عن طريق الاحتكاك بالحرير. تسمى الأجسام التي تعمل بنفس طريقة عمل الإيبونيت المكهرب عن طريق الاحتكاك بالصوف بشحنة سالبة. إن اختيار الاسم "إيجابي" للشحنات الناشئة على الزجاج، و"سلبي" للشحنات الناشئة عن الإيبونيت، هو أمر عشوائي تمامًا.
يمكن نقل الرسوم (على سبيل المثال، عن طريق الاتصال المباشر) من هيئة إلى أخرى. على عكس كتلة الجسم، فإن الشحنة الكهربائية ليست سمة أساسية لجسم معين. نفس الجسم في ظل ظروف مختلفة يمكن أن يكون له شحنة مختلفة.
الشحنة الكهربائية هي كمية فيزيائية تميز خاصية الجسيمات أو الأجسام للدخول في تفاعلات القوة الكهرومغناطيسية. إل ض. يُشار إليه عادةً بالحرفين q أو Q. ويتيح لنا مجمل الحقائق التجريبية المعروفة استخلاص الاستنتاجات التالية:
هناك نوعان من الشحنات الكهربائية، تسمى تقليديًا الإيجابية والسلبية.
يمكن نقل الرسوم (على سبيل المثال، عن طريق الاتصال المباشر) من هيئة إلى أخرى. على عكس كتلة الجسم، فإن الشحنة الكهربائية ليست سمة أساسية لجسم معين. نفس الجسم في ظل ظروف مختلفة يمكن أن يكون له شحنة مختلفة.
مثل الشحنات تتنافر، على عكس الشحنات تتجاذب. ويكشف هذا أيضًا الفرق الأساسي بين القوى الكهرومغناطيسية وقوى الجاذبية. قوى الجاذبية هي دائمًا قوى جاذبة.
أحد القوانين الأساسية للطبيعة هو القانون التجريبي قانون حفظ الشحنة الكهربائية .
في النظام المعزول، يظل المجموع الجبري لشحنات جميع الأجسام ثابتًا:
|
ينص قانون الحفاظ على الشحنة الكهربائية على أنه في نظام مغلق من الأجسام، لا يمكن ملاحظة عمليات إنشاء أو اختفاء شحنات علامة واحدة فقط.
من وجهة النظر الحديثة، حاملات الشحنة هي جسيمات أولية. تتكون جميع الأجسام العادية من ذرات، والتي تشمل البروتونات موجبة الشحنة والإلكترونات سالبة الشحنة والجسيمات المحايدة - النيوترونات. البروتونات والنيوترونات هي جزء من النوى الذرية، وتشكل الإلكترونات الغلاف الإلكتروني للذرات. الشحنات الكهربائية للبروتون والإلكترون هي نفسها تمامًا في الحجم وتساوي الشحنة الأولية ه.
في الذرة المحايدة، عدد البروتونات في النواة يساوي عدد الإلكترونات الموجودة في الغلاف. هذا الرقم يسمى العدد الذري . قد تفقد ذرة مادة معينة إلكترونًا واحدًا أو أكثر أو تكتسب إلكترونًا إضافيًا. وفي هذه الحالات تتحول الذرة المحايدة إلى أيون موجب أو سالب.
لا يمكن نقل الشحنة من جسم إلى آخر إلا في أجزاء تحتوي على عدد صحيح من الشحنات الأولية. وهكذا تكون الشحنة الكهربائية للجسم كمية منفصلة:
تسمى الكميات الفيزيائية التي لا يمكن أن تأخذ إلا سلسلة منفصلة من القيم محددة . تهمة الابتدائية ههو الكم (أصغر جزء) من الشحنة الكهربائية. تجدر الإشارة إلى أنه في الفيزياء الحديثة للجسيمات الأولية يفترض وجود ما يسمى بالكواركات - وهي جسيمات ذات شحنة كسرية ومع ذلك، لم يتم ملاحظة الكواركات في حالة حرة بعد.
في التجارب المعملية الشائعة أ مقياس الكهربية - جهاز يتكون من قضيب معدني ومؤشر يمكن أن يدور حول محور أفقي.
مقياس الكهربية هو أداة بدائية إلى حد ما؛ لا يسمح للمرء بدراسة قوى التفاعل بين الشحنات. تم اكتشاف قانون تفاعل الشحنات الثابتة لأول مرة من قبل الفيزيائي الفرنسي سي. كولومب في عام 1785. في تجاربه، قام كولومب بقياس قوى الجذب والتنافر للكرات المشحونة باستخدام جهاز صممه - ميزان الالتواء (الشكل 1.1.2) ) والتي تميزت بحساسية عالية للغاية. على سبيل المثال، تم تدوير عارضة التوازن بمقدار درجة واحدة تحت تأثير قوة تتراوح من 10 إلى 9 نيوتن.
استندت فكرة القياسات إلى تخمين كولومب العبقري القائل بأنه إذا لامست كرة مشحونة نفس الكرة غير المشحونة تمامًا، فسيتم تقسيم شحنة الأولى بالتساوي بينهما. وهكذا، تمت الإشارة إلى طريقة لتغيير شحنة الكرة مرتين أو ثلاث مرات، وما إلى ذلك. وفي تجارب كولومب تم قياس التفاعل بين الكرات التي كانت أبعادها أصغر بكثير من المسافة بينها. وعادة ما تسمى هذه الهيئات المشحونة رسوم النقطة.
الشحنة النقطية هي جسم مشحون يمكن إهمال أبعاده في ظروف هذه المشكلة.
هناك أيضا:الشحنة الخطية t(tau)=dq/dl، l-length، dq-charge للخيط
الشحنة السطحية: σ =dq/ds s-مساحة السطح (خلية/م2)
شحنة الحجم p(ro)=dq/dv (خلية/m3)
تخضع قوى التفاعل لقانون نيوتن الثالث: وهي قوى تنافر لها نفس إشارات الشحنات، وقوى تجاذب ذات إشارات مختلفة (الشكل 1.1.3). يسمى تفاعل الشحنات الكهربائية الثابتة كهرباء أو كولومب تفاعل. يسمى فرع الديناميكا الكهربائية الذي يدرس تفاعل كولوم الكهرباء الساكنة .
قانون كولوم صالح للأجسام النقطية المشحونة. من الناحية العملية، يكون قانون كولوم راضيًا جيدًا إذا كانت أحجام الأجسام المشحونة أصغر بكثير من المسافة بينها.
عامل التناسب كفي قانون كولومب يعتمد على اختيار نظام الوحدات. في نظام SI الدولي، تعتبر وحدة الشحن هي قلادة(الكلور).
قلادةهي شحنة تمر عبر المقطع العرضي للموصل خلال ثانية واحدة عند تيار قدره 1 أ. وحدة التيار (الأمبير) في النظام الدولي للوحدات هي، إلى جانب وحدات الطول والوقت والكتلة وحدة القياس الأساسية.
معامل في الرياضيات او درجة كفي نظام SI يتم كتابته عادة على النحو التالي:
تظهر التجربة أن قوى التفاعل كولوم تخضع لمبدأ التراكب.
إذا تفاعل جسم مشحون في وقت واحد مع عدة أجسام مشحونة، فإن القوة الناتجة المؤثرة على جسم معين تساوي المجموع المتجه للقوى المؤثرة على هذا الجسم من جميع الأجسام المشحونة الأخرى.
مبدأ التراكب هو قانون أساسي في الطبيعة. ومع ذلك، فإن استخدامه يتطلب بعض الحذر عندما نتحدث عن تفاعل الأجسام المشحونة ذات الأحجام المحدودة (على سبيل المثال، كرتان مشحونتان موصلتان 1 و 2). إذا تم إحضار كرة ثالثة مشحونة إلى نظام مكون من كرتين مشحونتين، فإن التفاعل بين 1 و 2 سيتغير بسبب إعادة توزيع الرسوم.
ينص مبدأ التراكب على أنه متى توزيع الشحنة (الثابت) المحددفي جميع الأجسام، لا تعتمد قوى التفاعل الكهروستاتيكي بين أي جسمين على وجود أجسام مشحونة أخرى.