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Carga eléctrica y sus tipos. La esencia física de la carga eléctrica.

Carga eléctrica y sus tipos. La esencia física de la carga eléctrica.

La carga eléctrica es una cantidad física que caracteriza la intensidad de la interacción electromagnética entre cuerpos. La carga eléctrica en sí no existe; su portador sólo puede ser una partícula de materia.

Propiedades básicas

1. Dualidad: en la naturaleza hay cargas de dos signos, las cargas similares se repelen, las cargas opuestas se atraen. En este sentido, las cargas condicionales se dividen en positivas y negativas.

La carga que posee una varilla de vidrio frotada contra seda o papel se llama positiva.

Negativo: la carga que posee una barra de ámbar o ebonita frotada contra piel o lana.

2. Cuantización: Si una cantidad física toma sólo ciertos valores discretos, se dice que está cuantificada (discreta). La experiencia demuestra que cualquier carga eléctrica está cuantificada, es decir consta de un número entero de cargas elementales.

donde =1,2,...entero; e =1,6·1 -19 C - carga elemental.

El electrón tiene la carga negativa más pequeña (elemental), el protón tiene la carga positiva.

1 culombio es la carga que atraviesa la sección transversal de un conductor en un segundo cuando una corriente continua de un amperio fluye a través del conductor.

3. Conservación de la carga.

Las cargas eléctricas pueden desaparecer y reaparecer sólo en pares. En cada uno de estos pares, las cargas son iguales en magnitud y de signo opuesto. Por ejemplo, un electrón y un positrón se aniquilan cuando se encuentran, es decir se convierten en fotones g neutros y las cargas –e y +e desaparecen. Durante un proceso llamado producción de pares, un fotón g, que ingresa al campo de un núcleo atómico, se convierte en un par de partículas, un electrón y un positrón, y surgen cargas +e y –e.

Ley de conservación de la carga: En un sistema aislado, la suma algebraica de cargas permanece constante para todos los cambios dentro del sistema.

Aislado Es un sistema de cuerpos que no intercambia cargas con el entorno externo.

4. Invariancia carga a varios sistemas de referencia inerciales.

La experiencia muestra que la magnitud de la carga no depende de la velocidad de movimiento del cuerpo cargado. La misma carga medida en diferentes marcos de informes inerciales es la misma.

5. Aditividad: .

Clasificación de cargos.

Dependiendo del tamaño del cuerpo cargado, las cargas se dividen en puntuales y extendidas.

· Una carga puntual es un cuerpo cargado cuyas dimensiones pueden despreciarse en las condiciones de este problema.

· Extendida es la carga de un cuerpo cuyas dimensiones no pueden despreciarse en las condiciones de este problema. Las cargas extendidas se dividen en lineales, superficiales y volumétricas.

Por la capacidad de cambiar con respecto a la posición de equilibrio bajo la influencia de la electricidad externa. campos, los cargos se dividen convencionalmente en libres, vinculados y extraños.

Gratis Se llaman cargas que pueden moverse libremente en un cuerpo bajo la influencia de la electricidad externa. campos.

Relacionado Se llaman las cargas que forman parte de las moléculas dieléctricas, que bajo la influencia de la electricidad. Los campos sólo pueden desplazarse desde su posición de equilibrio, pero no pueden abandonar la molécula.

Tercero Se llaman cargas ubicadas en el dieléctrico, pero que no forman parte de sus moléculas.

La ley que rige la fuerza de interacción entre cargas puntuales se estableció experimentalmente en 1785. Colgante.

ley de Coulomb: la fuerza de interacción entre dos cargas puntuales estacionarias es directamente proporcional a las cargas, inversamente proporcional al cuadrado de la distancia entre ellas, dirigida a lo largo de la línea recta que conecta las cargas, y depende del entorno en el que se encuentran.

donde q 1, q 2 - valores de carga; r es la distancia entre cargas;

8,85 1 -12 C 2 / (N m 2) - constante eléctrica,

e es la constante dieléctrica del medio.

La constante dieléctrica de una sustancia muestra cuántas veces la fuerza de interacción entre cargas en un dieléctrico dado es menor que en el vacío, vacío = 1, es una cantidad adimensional.

Expliquemos el motivo de este debilitamiento considerando una bola cargada rodeada por un dieléctrico. El campo de la bola orienta las moléculas del dieléctrico y aparecen cargas ligadas negativas en la superficie del dieléctrico adyacente a la bola.

El campo en cualquier punto del dieléctrico será creado por dos esferas con cargas opuestas: la superficie de la bola, cargada positivamente, y la superficie cargada negativamente del dieléctrico adyacente a ella, mientras que el campo de cargas unidas se resta del campo de cargas libres, y el campo total será más débil que el campo de una bola.

1. Intensidad del campo electrostático. El principio de superposición de campos eléctricos. Flujo vectorial.

Cualquier carga cambia las propiedades del espacio circundante: crea en él un campo eléctrico.

Un campo eléctrico es una de las formas de existencia de la materia que rodea las cargas eléctricas. Este campo se manifiesta en el hecho de que una carga eléctrica colocada en cualquier punto está bajo la influencia de una fuerza.

El concepto de campo eléctrico fue introducido en la ciencia en los años 30 del siglo XIX por los científicos ingleses Michael Faraday.

Según Faraday, cada carga eléctrica está rodeada por el campo eléctrico que crea, por lo que a veces dicha carga se denomina carga fuente. La carga con la que se estudia el campo de carga fuente se denomina carga de prueba.

Para que la fuerza que actúa sobre la carga de prueba caracterice el campo en un punto determinado; La carga de prueba debe ser una carga puntual.

Cargo por puntos llamado cuerpo cargado, cuyas dimensiones pueden despreciarse en las condiciones de este problema, es decir cuyas dimensiones son pequeñas en comparación con las distancias a otros cuerpos con los que interactúa. En este caso, el campo eléctrico propio de la carga de prueba debe ser tan pequeño que no cambie el campo de la carga fuente. Cuanto menor sea el tamaño del cuerpo cargado y más débil su propio campo en comparación con el campo de la carga fuente, con mayor precisión este cuerpo cargado satisface la condición de carga de prueba.

El campo eléctrico se propaga en el vacío con una velocidad c = 3·1 8 .

El campo de cargas eléctricas estacionarias es electrostático.

Utilizando una carga de prueba, investigamos el campo creado por una carga estacionaria: la fuente.

La fuerza que actúa sobre la carga de prueba en un punto dado del campo depende del tamaño de la carga de prueba. Si tomamos diferentes cargas de prueba, entonces la fuerza que actúa sobre ellas en un punto dado del campo será diferente.

Sin embargo, la relación entre la fuerza y la magnitud de la carga de prueba permanece constante y caracteriza el campo mismo. Esta relación se llama intensidad del campo eléctrico en un punto dado.

Intensidad del campo eléctrico es una cantidad vectorial numéricamente igual a la fuerza con la que el campo actúa sobre una carga de prueba unitaria positiva en un punto dado del campo y codireccional con esta fuerza.

La fuerza es la característica principal del campo y caracteriza completamente el campo en cada punto en magnitud y dirección.

Intensidad de campo de una carga puntual.

Según la ley de Coulomb

es la intensidad del campo eléctrico de una carga puntual a una distancia r de esta carga.

Es conveniente representar gráficamente el campo eléctrico utilizando una imagen de las llamadas líneas de fuerza o líneas de tensión.

linea de tension es una recta cuya tangente en cada punto coincide en dirección con el vector tensión en ese punto.

Las líneas de intensidad de campo creadas por cargas estacionarias siempre comienzan y terminan en las cargas (o en el infinito) y nunca están cerradas. Un campo más fuerte está representado por líneas de tensión más densamente espaciadas. La densidad de las líneas se elige de modo que el número de líneas que atraviesan una unidad de superficie del sitio perpendicular a las líneas sea igual al valor numérico del vector. Las líneas de tensión nunca se cruzan, porque... su intersección significaría dos direcciones diferentes del vector de intensidad de campo en el mismo punto, lo cual no tiene sentido.

Un campo en el que la intensidad en todos los puntos tiene la misma magnitud y la misma dirección se llama homogéneo. En tal campo, las líneas de fuerza son paralelas y su densidad es la misma en todas partes, es decir están ubicados a la misma distancia entre sí.

Principio de superposición.

Si el campo eléctrico en un punto dado es creado por varias cargas, entonces la intensidad del campo resultante es igual a la suma vectorial de las intensidades de campo creadas por cada carga por separado.

El principio de superposición es un hecho experimental válido hasta campos muy fuertes. Según la misma ley, no solo se forman campos electromagnéticos estáticos, sino también que cambian rápidamente.

Seleccionemos en el campo vectorial un cierto volumen limitado por la superficie S. Dividamos esta superficie en áreas elementales de tamaño .

Se puede considerar un elemento de superficie dirigido. Un elemento dirigido de una superficie es un vector cuya longitud es igual al área del elemento y la dirección coincide con la dirección de la normal a este elemento. Para una superficie cerrada, se toma la normal exterior a la superficie. Dado que la elección de la dirección es arbitraria (condicional), puede dirigirse en una dirección desde el sitio o en la otra; no es un verdadero vector, sino un pseudovector.

Elemento de superficie direccional,

Superficie elemental.

El flujo del vector de tensión a través de una superficie elemental. dS llamado producto escalar

donde a es el ángulo entre los vectores y ,

E n - proyección en la dirección normal.

Habiendo sumado los flujos a través de todas las áreas elementales en las que se dividió la superficie S, obtenemos el flujo vectorial a través de la superficie S.

El flujo de un vector a través de la superficie S es la integral

Para una superficie cerrada.

El flujo vectorial es una cantidad algebraica:

Por un campo uniforme

Al flujo del vector de tensión se le puede dar una interpretación geométrica clara: es numéricamente igual al número de líneas de tensión que cruzan una superficie determinada.

2. Teorema de Gauss para el flujo vectorial y su aplicación para calcular los campos de cargas extendidas en el vacío.

Conociendo la intensidad de campo de una carga puntual y utilizando el principio de superposición, es posible calcular la intensidad de campo creada por varias cargas puntuales. Sin embargo, para cargas extendidas la aplicación del principio de superposición es difícil. El científico alemán Gauss propuso a principios del siglo XIX un método para calcular los campos creados por cargas extendidas.

Teorema de Gauss para el campo electrostático en el vacío.

Consideremos el campo de una carga puntual en el vacío y calculemos el radio de la esfera que pasa por la superficie.

Intensidad del campo en cualquier punto de la superficie de la esfera.

La electricidad nos rodea por todos lados. Pero hubo una vez en la que esto no fue así. Porque la palabra en sí proviene del nombre griego de un material concreto: “electrón”, en griego, “ámbar”. Con él realizaron interesantes experimentos, similares a trucos de magia. La gente siempre ha amado los milagros, pero aquí todo tipo de motas de polvo, vellosidades, hilos, pelos comenzaron a ser atraídos por un trozo de ámbar, tan pronto como se frotaba con un trozo de tela. Es decir, esta piedra dorada no tiene “asas” pequeñas, pero puede recoger pelusas.

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Acumulación de electricidad y conocimiento sobre ella.

También se producía una acumulación visible de electricidad cuando se ponían artesanías de ámbar: cuentas de ámbar, pinzas para el cabello de ámbar. No hay más explicaciones que magia obvia, no podría haber ninguno. Después de todo, para que el truco tuviera éxito, era necesario clasificar las cuentas exclusivamente con las manos limpias y secas y sentado con ropa limpia. Y el pelo limpio, bien frotado con una horquilla, da algo bonito y terrorífico: un halo de pelo alzado. E incluso crepitantes. Y hasta en la oscuridad hay destellos. Ésta es la acción de un espíritu exigente y caprichoso, además de aterrador e incomprensible. Pero ha llegado el momento y los fenómenos eléctricos han dejado de ser territorio del espíritu.

Comenzaron a llamar a todo simplemente “interacción”. Fue entonces cuando empezamos a experimentar. Se les ocurrió una máquina especial para esto (máquina electrofórica) y un frasco para almacenar electricidad (frasco de Leyden). Y un dispositivo que ya podría mostrar algo de “igual-más-menos” en relación a la electricidad (electroscopio). Sólo queda explicarlo todo. con la ayuda del cada vez más poderoso lenguaje de fórmulas.

Así, a la humanidad se le ocurrió la necesidad de reconocer la presencia de una determinada carga eléctrica en la naturaleza. En realidad, el título no contiene ningún descubrimiento. Medios eléctricos asociados a fenómenos. cuyo estudio comenzó con la magia del ámbar. La palabra "carga" habla sólo de vagas posibilidades incrustadas en un objeto, como una bala de cañón. Está claro que la electricidad se puede producir y almacenar de algún modo. Y de alguna manera hay que medirlo. Lo mismo que una sustancia ordinaria, por ejemplo, el aceite.

Y, por analogía con las sustancias, de cuyas partículas más pequeñas (átomos) se hablaba con seguridad desde la época de Demócrito, y decidió que la carga ciertamente debía consistir en "corpúsculos" similares muy pequeños: cuerpos. El número de los cuales en un cuerpo cargado grande dará la cantidad de carga eléctrica.

Carga eléctrica - ley de conservación de la carga

Por supuesto, en aquel entonces ni siquiera podían imaginar aproximadamente cuántos “corpúsculos” eléctricos de este tipo podrían aparecer incluso en un cuerpo cargado muy pequeño. Pero todavía se necesitaba una unidad práctica de carga eléctrica. Y empezaron a inventarlo. El colgante, que más tarde dio nombre a esta unidad, aparentemente midió la magnitud de las cargas utilizando bolas de metal con las que realizó experimentos, pero de alguna manera relativamente. Abrí mi famosa ley de Coulomb, en el que escribió algebraicamente que la fuerza que actúa entre dos cargas q1 y q2 separadas por una distancia R es proporcional a su producto e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia entre ellas.

Coeficiente k Depende del medio en el que se produce la interacción, pero en el vacío es igual a la unidad.

Probablemente, después de Kepler y Newton, hacer esas cosas no fuera tan difícil. La distancia es fácil de medir. Dividió las cargas físicamente, tocando una bola con otra. Resultó que en dos bolas idénticas, si una está cargada y la otra no, al hacer contacto la carga se divide por la mitad: se dispersa por ambas bolas. Por tanto, recibió valores fraccionarios de la cantidad desconocida original q.

Estudiando interacción de cargas eléctricas, tomó medidas a diferentes distancias entre las bolas y registró en sus balanzas de torsión las desviaciones que se obtienen cuando las bolas cargadas se repelen entre sí. Aparentemente, su ley fue una pura victoria para el álgebra, ya que el propio Coulomb no conocía la unidad de medida de carga "culombio" y simplemente no podía conocerla.

Otra victoria fue el descubrimiento de que la cantidad total de esta misma cantidad q en las bolas que podía cargar de esta manera siempre permanecía sin cambios. Por eso llamó a la ley abierta ley de conservación de la carga.

Q = q 1 + q 2 + q 3 + … + q n

Hay que rendir homenaje a la precisión y paciencia del científico, así como a la valentía con la que proclamó sus leyes, sin tener una unidad de la cantidad de lo que estudió.

Una partícula de electricidad - carga mínima

Sólo más tarde se dieron cuenta de que la carga eléctrica elemental, es decir, la más pequeña, es... un electrón. Sólo que no es un pequeño trozo de ámbar, sino una partícula inexpresablemente pequeña que ni siquiera es una sustancia (casi), pero que está necesariamente presente en cualquier cuerpo material. e incluso en cada átomo de cada sustancia. Y no sólo en los átomos, sino también alrededor de ellos. Y esos:

que se encuentran en los átomos se llaman electrones ligados.
y los que están alrededor son electrones libres.

Los electrones están unidos en un átomo porque el núcleo atómico también contiene partículas cargadas: los protones, y cada protón seguramente atraerá un electrón hacia sí mismo. Según la ley de Coulomb.

Y la carga que puedes ver o sentir resulta de:

fricción,
ahorro, acumulación
reacción química,
inducción electromagnética,

Constan únicamente de electrones libres que fueron expulsados de los átomos debido a diversos malentendidos:

de ser golpeado por otro átomo (emisión térmica)
cuanto de luz (fotoemisión) y por otras razones

y deambular dentro de enormes cuerpos macroscópicos (por ejemplo, pelos).

Para los electrones, los cuerpos de nuestros objetos son realmente enormes. Una unidad de carga (culombio) contiene aproximadamente esta cantidad de electrones: un poco más de 624.150.912.514.351.000. Suena así: 624 cuatrillones 150 billones 912 mil millones 514 millones 351 mil electrones en un culombio de carga eléctrica.

Y el colgante es una cantidad muy sencilla y cercana a nosotros. Un culombio es la misma carga que fluye en un segundo a través de la sección transversal de un conductor si la corriente en él tiene una fuerza de un amperio. Es decir, a 1 amperio, por cada segundo, solo estos 624 mil billones ... de electrones parpadearán a través de la sección transversal del cable.

Los electrones son tan móviles y se mueven tan rápidamente dentro de los cuerpos físicos que encienden nuestra bombilla en un instante, tan pronto como presionamos el interruptor. Y es por eso que nuestra interacción eléctrica es tan rápida que cada segundo ocurren eventos llamados “recombinación”. El electrón que se escapa encuentra el átomo del que acaba de escapar y ocupa un espacio libre en él.

El número de eventos de este tipo por segundo también es del orden de... bueno, todo el mundo ya se lo imagina. Y estos eventos se repiten continuamente cuando los electrones abandonan los átomos y luego regresan a los átomos. Huyen y regresan. Esta es su vida, sin ella simplemente no pueden existir. Y sólo gracias a esto existe la electricidad, ese sistema que se ha convertido en parte de nuestra vida, de nuestro confort, de nuestra nutrición y de nuestra conservación.

Dirección actual. ¿Quién se encarga de nuestro cargo?

Lo único que queda es una pequeña curiosidad que todo el mundo conoce, pero que ninguno de los físicos quiere corregir.

Cuando Coulomb jugó una mala pasada con sus bolas, vieron que había dos tipos de cargas. Y las cargas del mismo tipo se repelen, y las cargas de diferente tipo se atraen. Era natural nombrar algunos de ellos. positivos y otros negativos. Y supongamos que la corriente eléctrica fluye desde donde hay más hacia donde hay menos. Es decir, de más a menos. Así quedó grabado en la mente de los físicos durante muchas generaciones.

Pero no fueron los electrones los primeros en descubrirse, sino los iones. Estos son precisamente esos átomos inconsolables que han perdido su electrón. En cuyo núcleo hay un protón "extra" y, por tanto, están cargados. Bueno, cuando descubrieron esto, inmediatamente suspiraron y dijeron: aquí está, usted es nuestra carga positiva. Y el protón se ganó la reputación de partícula cargada positivamente.

Y luego se dieron cuenta de que los átomos suelen ser neutros porque la carga eléctrica del núcleo está equilibrada por la carga de las capas de electrones que giran alrededor del núcleo. Es decir, construyeron un modelo planetario del átomo. Y sólo entonces comprendieron que los átomos constituyen toda (casi) la materia, su red cristalina sólida o toda la masa de su cuerpo líquido. Es decir, los protones con neutrones se encuentran sólidamente en los núcleos de los átomos. Y no a su entera disposición, como la luz y los electrones móviles. En consecuencia, la corriente no fluye de más a menos, sino, por el contrario, de menos a más.

La palabra electricidad proviene del nombre griego del ámbar. ελεκτρον .
El ámbar es la resina fosilizada de los árboles coníferos. Los antiguos notaron que si se frota el ámbar con un paño, atraerá objetos ligeros o polvo. Este fenómeno, que hoy llamamos electricidad estática, se puede observar frotando con un paño una varilla de ebonita o de vidrio o simplemente una regla de plástico.

Una regla de plástico, que ha sido frotada minuciosamente con una servilleta de papel, atrae pequeños trozos de papel (figura 22.1). Es posible que hayas visto descargas de electricidad estática mientras te peinaste o te quitabas la blusa o camisa de nailon. Es posible que haya experimentado una descarga eléctrica al tocar la manija de una puerta de metal después de levantarse de un asiento de automóvil o caminar sobre una alfombra sintética. En todos estos casos, el objeto adquiere carga eléctrica mediante fricción; Dicen que la electrificación se produce por fricción.

¿Todas las cargas eléctricas son iguales o hay diferentes tipos? Resulta que existen dos tipos de cargas eléctricas, lo cual se puede demostrar mediante el siguiente sencillo experimento. Cuelga una regla de plástico por la mitad de un hilo y frótala bien con un paño. Si ahora le acercamos otra regla electrificada, encontraremos que las reglas se repelen entre sí (Fig. 22.2, a).
De la misma forma, acercando otra varilla de vidrio electrificada a una, observaremos su repulsión (Fig. 22.2,6). Si se acerca una varilla de vidrio cargada a una regla de plástico electrificada, se sentirán atraídas (figura 22.2, c). La regla parece tener un tipo de carga diferente a la de la varilla de vidrio.
Se ha establecido experimentalmente que todos los objetos cargados se dividen en dos categorías: son atraídos por el plástico y repelidos por el vidrio o, por el contrario, repelidos por el plástico y atraídos por el vidrio. Parece haber dos tipos de cargas: las cargas del mismo tipo se repelen y las cargas de diferentes tipos se atraen. Decimos que las cargas iguales se repelen y las cargas diferentes se atraen.

El estadista, filósofo y científico estadounidense Benjamín Franklin (1706-1790) llamó a estos dos tipos de cargas positivas y negativas. No importaba en absoluto el precio de la llamada;
Franklin propuso considerar positiva la carga de una varilla de vidrio electrificada. En este caso, la carga que aparecerá en la regla de plástico (o ámbar) será negativa. Este acuerdo todavía se sigue hoy.

La teoría de la electricidad de Franklin era, en efecto, un concepto de "un fluido": una carga positiva se consideraba un exceso del "fluido eléctrico" sobre su contenido normal en un objeto determinado, y una carga negativa se consideraba una deficiencia. Franklin argumentó que cuando, como resultado de algún proceso, surge una determinada carga en un cuerpo, simultáneamente surge la misma cantidad de carga del tipo opuesto en otro cuerpo. Por tanto, los nombres “positivo” y “negativo” deben entenderse en un sentido algebraico, de modo que la carga total adquirida por los cuerpos en cualquier proceso es siempre igual a cero.

Por ejemplo, cuando se frota una regla de plástico con una servilleta de papel, la regla adquiere una carga negativa y la servilleta adquiere una carga positiva igual. Hay una separación de cargos, pero su suma es cero.
Este ejemplo ilustra la firmeza establecida ley de conservación de la carga eléctrica, que dice:

La carga eléctrica total resultante de cualquier proceso es cero.

Nunca se han observado desviaciones de esta ley, por lo que podemos considerar que está tan firmemente establecida como las leyes de conservación de la energía y del impulso.

Cargas eléctricas en los átomos.

Sólo en el siglo pasado quedó claro que la razón de la existencia de la carga eléctrica reside en los propios átomos. Más adelante discutiremos con más detalle la estructura del átomo y el desarrollo de ideas sobre el mismo. Aquí discutiremos brevemente las ideas principales que nos ayudarán a comprender mejor la naturaleza de la electricidad.

Según los conceptos modernos, un átomo (algo simplificado) consta de un núcleo pesado con carga positiva rodeado por uno o más electrones con carga negativa.
En el estado normal, las cargas positivas y negativas de un átomo son iguales en magnitud y el átomo en su conjunto es eléctricamente neutro. Sin embargo, un átomo puede perder o ganar uno o más electrones. Entonces su carga será positiva o negativa, y ese átomo se llama ion.

En un sólido, los núcleos pueden vibrar, permaneciendo cerca de posiciones fijas, mientras que algunos electrones se mueven con total libertad. La electrificación por fricción puede explicarse por el hecho de que en diferentes sustancias los núcleos contienen electrones con diferentes fuerzas.
Cuando una regla de plástico que se frota con una servilleta de papel adquiere una carga negativa, esto significa que los electrones en la servilleta de papel se sujetan con menos fuerza que en el plástico, y algunos de ellos se transfieren de la servilleta a la regla. La carga positiva de la servilleta es igual en magnitud a la carga negativa adquirida por la regla.

Normalmente, los objetos electrificados por fricción sólo mantienen una carga durante un tiempo y finalmente regresan a un estado eléctricamente neutro. ¿A dónde va el cargo? Se “drena” sobre las moléculas de agua contenidas en el aire.
El hecho es que las moléculas de agua son polares: aunque en general son eléctricamente neutras, la carga en ellas no está distribuida uniformemente (figura 22.3). Por lo tanto, el exceso de electrones de la regla electrificada se “drenará” al aire, siendo atraídos hacia la región cargada positivamente de la molécula de agua.
Por otro lado, la carga positiva del objeto será neutralizada por los electrones, que están débilmente retenidos por las moléculas de agua en el aire. En tiempo seco, la influencia de la electricidad estática es mucho más notable: hay menos moléculas de agua en el aire y la carga no se descarga tan rápidamente. En climas húmedos y lluviosos, el artículo no puede mantener la carga por mucho tiempo.

Aisladores y conductores

Sean dos bolas de metal, una de las cuales está muy cargada y la otra es eléctricamente neutra. Si los conectamos, digamos, con un clavo de hierro, la bola descargada adquirirá rápidamente una carga eléctrica. Si tocamos simultáneamente ambas bolas con un palo de madera o un trozo de goma, la bola que no tenía carga quedará descargada. Sustancias como el hierro se denominan conductores de electricidad; la madera y el caucho se denominan no conductores o aislantes.

Los metales son generalmente buenos conductores; La mayoría de las demás sustancias son aislantes (sin embargo, los aislantes conducen un poco la electricidad). Curiosamente, casi todos los materiales naturales caen en una de estas dos categorías marcadamente diferentes.
Sin embargo, hay sustancias (entre las que cabe mencionar el silicio, el germanio y el carbono) que pertenecen a una categoría intermedia (pero también muy separada). Se les llama semiconductores.

Desde el punto de vista de la teoría atómica, los electrones en los aislantes están muy estrechamente unidos a los núcleos, mientras que en los conductores muchos electrones están muy débilmente unidos y pueden moverse libremente dentro de la sustancia.
Cuando un objeto cargado positivamente se acerca o toca un conductor, los electrones libres se mueven rápidamente hacia la carga positiva. Si un objeto tiene carga negativa, los electrones, por el contrario, tienden a alejarse de él. En los semiconductores hay muy pocos electrones libres y en los aislantes están prácticamente ausentes.

Carga inducida. Electroscopio

Llevemos un objeto metálico cargado positivamente a otro objeto metálico (neutro).

Al entrar en contacto, los electrones libres de un objeto neutro serán atraídos por uno cargado positivamente y algunos de ellos se transferirán a él. Como al segundo objeto le falta ahora un cierto número de electrones cargados negativamente, adquiere una carga positiva. Este proceso se llama electrificación debido a la conductividad eléctrica.

Acerquemos ahora el objeto cargado positivamente a la varilla metálica neutra, pero de modo que no se toquen. Aunque los electrones no abandonarán la varilla de metal, se moverán hacia el objeto cargado; Surgirá una carga positiva en el extremo opuesto de la varilla (figura 22.4). En este caso, se dice que se induce (o induce) una carga en los extremos de la varilla metálica. Por supuesto, no surgen nuevas cargas: las cargas simplemente se separaron, pero en general la barra permaneció eléctricamente neutra. Sin embargo, si ahora tuviéramos que cortar la varilla transversalmente por la mitad, obtendríamos dos objetos cargados: uno con carga negativa y el otro con carga positiva.

También puede impartir carga a un objeto metálico conectándolo con un cable a tierra (o, por ejemplo, a una tubería de agua que va a la tierra), como se muestra en la Fig. 22.5, a. Se dice que el sujeto está fundamentado. Debido a su enorme tamaño, la Tierra acepta y cede electrones; actúa como un depósito de carga. Si acerca un objeto cargado, digamos negativamente, al metal, los electrones libres del metal serán repelidos y muchos de ellos irán a lo largo del cable hasta el suelo (Fig. 22.5,6). El metal quedará cargado positivamente. Si ahora desconecta el cable, quedará una carga inducida positiva en el metal. Pero si hace esto después de retirar el objeto cargado negativamente del metal, todos los electrones tendrán tiempo de regresar y el metal permanecerá eléctricamente neutro.

Se utiliza un electroscopio (o electrómetro simple) para detectar carga eléctrica.

Como se puede ver en la Fig. 22,6, consta de un cuerpo, en cuyo interior hay dos hojas móviles, a menudo de oro. (A veces, sólo una hoja se hace móvil). Las hojas están montadas sobre una varilla de metal, que está aislada del cuerpo y termina en el exterior con una bola de metal. Si acerca un objeto cargado a la bola, se produce una separación de cargas en la varilla (Fig. 22.7, a), las hojas resultan tener cargas similares y se repelen entre sí, como se muestra en la figura.

Puede cargar completamente la varilla debido a la conductividad eléctrica (Fig. 22.7, b). En cualquier caso, cuanto mayor es la carga, más divergen las hojas.

Sin embargo, tenga en cuenta que el signo de la carga no se puede determinar de esta manera: una carga negativa separará las hojas exactamente la misma distancia que una carga positiva igual. Y, sin embargo, se puede utilizar un electroscopio para determinar el signo de la carga, para ello primero se debe dar a la varilla, digamos, una carga negativa (figura 22.8, a). Si ahora lleva un objeto cargado negativamente a la bola del electroscopio (Fig. 22.8,6), los electrones adicionales se moverán hacia las hojas y se separarán más. Por el contrario, si se lleva una carga positiva a la bola, los electrones se alejarán de las hojas y se acercarán (figura 22.8, c), ya que su carga negativa disminuirá.

El electroscopio se utilizó ampliamente en los albores de la ingeniería eléctrica. Los electrómetros modernos muy sensibles funcionan según el mismo principio cuando utilizan circuitos electrónicos.

Esta publicación está basada en materiales del libro de D. Giancoli. “Física en dos volúmenes” 1984 Volumen 2.

Continuará. Brevemente sobre la siguiente publicación:

Fuerza F, con el que un cuerpo cargado actúa sobre otro cuerpo cargado, es proporcional al producto de sus cargas q 1 y q 2 e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia r entre ellos.

Comentarios y sugerencias son aceptados y bienvenidos!

Resumen sobre ingeniería eléctrica.

Completado por: Agafonov Roman

Colegio Agroindustrial de Luga

Es imposible dar una definición breve de carga que sea satisfactoria en todos los aspectos. Estamos acostumbrados a encontrar explicaciones comprensibles para formaciones y procesos muy complejos como el átomo, los cristales líquidos, la distribución de las moléculas por velocidad, etc. Pero los conceptos más básicos, fundamentales, indivisibles en otros más simples, desprovistos, según la ciencia actual, de cualquier mecanismo interno, ya no pueden explicarse brevemente de forma satisfactoria. Especialmente si los objetos no son percibidos directamente por nuestros sentidos. Son estos conceptos fundamentales a los que se refiere la carga eléctrica.

Primero, intentemos descubrir no qué es una carga eléctrica, sino qué se esconde detrás de la afirmación: este cuerpo o partícula tiene carga eléctrica.

Sabes que todos los cuerpos están construidos a partir de partículas diminutas, indivisibles en partículas más simples (hasta donde la ciencia sabe ahora), que por eso se llaman elementales. Todas las partículas elementales tienen masa y por eso se atraen entre sí. Según la ley de la gravitación universal, la fuerza de atracción disminuye relativamente lentamente a medida que aumenta la distancia entre ellos: inversamente proporcional al cuadrado de la distancia. Además, la mayoría de las partículas elementales, aunque no todas, tienen la capacidad de interactuar entre sí con una fuerza que también disminuye en proporción inversa al cuadrado de la distancia, pero esta fuerza es una enorme cantidad de veces mayor que la fuerza de gravedad. . Así, en el átomo de hidrógeno, que se muestra esquemáticamente en la Figura 1, el electrón es atraído hacia el núcleo (protón) con una fuerza 1039 veces mayor que la fuerza de atracción gravitacional.

Si las partículas interactúan entre sí con fuerzas que disminuyen lentamente al aumentar la distancia y son muchas veces mayores que las fuerzas de la gravedad, entonces se dice que estas partículas tienen carga eléctrica. Las partículas mismas se llaman cargadas. Hay partículas sin carga eléctrica, pero no hay carga eléctrica sin partícula.

Las interacciones entre partículas cargadas se denominan electromagnéticas. Cuando decimos que los electrones y los protones están cargados eléctricamente, significa que son capaces de realizar interacciones de cierto tipo (electromagnéticas), y nada más. La falta de carga de las partículas hace que no detecte este tipo de interacciones. La carga eléctrica determina la intensidad de las interacciones electromagnéticas, del mismo modo que la masa determina la intensidad de las interacciones gravitacionales. La carga eléctrica es la segunda característica más importante (después de la masa) de las partículas elementales, que determina su comportamiento en el mundo circundante.

De este modo

La carga eléctrica es una cantidad física escalar que caracteriza la propiedad de partículas o cuerpos de entrar en interacciones de fuerza electromagnética.

La carga eléctrica está simbolizada por las letras q o Q.

Así como en mecánica se utiliza a menudo el concepto de punto material, lo que permite simplificar significativamente la solución de muchos problemas, al estudiar la interacción de cargas, el concepto de carga puntual es eficaz. Una carga puntual es un cuerpo cargado cuyas dimensiones son significativamente menores que la distancia desde este cuerpo hasta el punto de observación y otros cuerpos cargados. En particular, si hablan de la interacción de dos cargas puntuales, suponen que la distancia entre los dos cuerpos cargados considerados es significativamente mayor que sus dimensiones lineales.

La carga eléctrica de una partícula elemental no es un "mecanismo" especial en la partícula que pueda eliminarse de ella, descomponerse en sus componentes y volver a ensamblarse. La presencia de una carga eléctrica en un electrón y otras partículas sólo significa la existencia de determinadas interacciones entre ellas.

En la naturaleza existen partículas con cargas de signos opuestos. La carga de un protón se llama positiva y la carga de un electrón se llama negativa. El signo positivo de una carga en una partícula no significa, por supuesto, que tenga ventajas especiales. La introducción de cargas de dos signos simplemente expresa el hecho de que las partículas cargadas pueden atraerse y repelerse. Si los signos de carga son iguales, las partículas se repelen, y si los signos de carga son diferentes, se atraen.

Actualmente no existe una explicación de los motivos de la existencia de dos tipos de cargas eléctricas. En cualquier caso, no se encuentran diferencias fundamentales entre cargas positivas y negativas. Si los signos de las cargas eléctricas de las partículas cambiaran al contrario, entonces la naturaleza de las interacciones electromagnéticas en la naturaleza no cambiaría.

Las cargas positivas y negativas están muy bien equilibradas en el Universo. Y si el Universo es finito, entonces su carga eléctrica total es, con toda probabilidad, igual a cero.

Lo más notable es que la carga eléctrica de todas las partículas elementales es estrictamente la misma en magnitud. Existe una carga mínima, llamada elemental, que poseen todas las partículas elementales cargadas. La carga puede ser positiva, como un protón, o negativa, como un electrón, pero el módulo de carga es el mismo en todos los casos.

Es imposible separar parte de la carga, por ejemplo, de un electrón. Esto es quizás lo más sorprendente. Ninguna teoría moderna puede explicar por qué las cargas de todas las partículas son iguales y no puede calcular el valor de la carga eléctrica mínima. Se determina experimentalmente mediante varios experimentos.

En la década de 1960, después de que el número de partículas elementales recién descubiertas comenzara a crecer de manera alarmante, se planteó la hipótesis de que todas las partículas que interactúan fuertemente son compuestas. Las partículas más fundamentales fueron llamadas quarks. Lo sorprendente fue que los quarks debían tener una carga eléctrica fraccionada: 1/3 y 2/3 de la carga elemental. Para construir protones y neutrones bastan dos tipos de quarks. Y su número máximo, aparentemente, no supera los seis.

Es imposible crear un estándar macroscópico de unidad de carga eléctrica similar al estándar de longitud, el metro, debido a la inevitable fuga de carga. Sería natural tomar la carga de un electrón como tal (esto se hace ahora en física atómica). Pero en la época de Coulomb aún no se conocía la existencia de electrones en la naturaleza. Además, la carga del electrón es demasiado pequeña y, por tanto, difícil de utilizar como estándar.

En el Sistema Internacional de Unidades (SI), la unidad de carga, el culombio, se establece utilizando la unidad de corriente:

1 culombio (C) es la carga que atraviesa la sección transversal de un conductor en 1 s con una corriente de 1 A.

Una carga de 1 C es muy grande. Dos cargas de este tipo a una distancia de 1 km se repelerían entre sí con una fuerza ligeramente menor que la fuerza con la que el globo atrae una carga que pesa 1 tonelada. Por lo tanto, es imposible impartir una carga de 1 C a un cuerpo pequeño (aproximadamente unos pocos metros de tamaño). Al repelerse unas de otras, las partículas cargadas no podrían permanecer en un cuerpo así. No existen otras fuerzas en la naturaleza que sean capaces de compensar la repulsión de Coulomb en estas condiciones. Pero en un conductor que generalmente es neutro, no es difícil poner en movimiento una carga de 1 C. De hecho, en una bombilla normal con una potencia de 100 W a un voltaje de 127 V, se establece una corriente ligeramente inferior a 1 A. Al mismo tiempo, en 1 s pasa una carga casi igual a 1 C a través de la cruz. -sección del conductor.

Un electrómetro se utiliza para detectar y medir cargas eléctricas. El electrómetro consta de una varilla de metal y un puntero que puede girar alrededor de un eje horizontal (Fig. 2). La varilla con la flecha se fija en una funda de plexiglás y se coloca en una caja cilíndrica de metal cerrada con tapas de vidrio.

El principio de funcionamiento del electrómetro. Toquemos la varilla cargada positivamente con la varilla del electrómetro. Veremos que la aguja del electrómetro se desvía un cierto ángulo (ver Fig. 2). La rotación de la flecha se explica por el hecho de que cuando un cuerpo cargado entra en contacto con la varilla del electrómetro, las cargas eléctricas se distribuyen a lo largo de la flecha y la varilla. Las fuerzas repulsivas que actúan entre cargas eléctricas similares en la varilla y el puntero hacen que el puntero gire. Electrifiquemos nuevamente la varilla de ebonita y toquemos nuevamente con ella la varilla del electrómetro. La experiencia muestra que a medida que aumenta la carga eléctrica en la varilla, aumenta el ángulo de desviación de la flecha desde la posición vertical. En consecuencia, por el ángulo de desviación de la aguja del electrómetro se puede juzgar el valor de la carga eléctrica transferida a la varilla del electrómetro.

La totalidad de todos los hechos experimentales conocidos nos permite resaltar las siguientes propiedades de la carga:

Existen dos tipos de cargas eléctricas, convencionalmente llamadas positivas y negativas. Los cuerpos cargados positivamente son aquellos que actúan sobre otros cuerpos cargados de la misma forma que el vidrio electrizado por la fricción con la seda. Los cuerpos que actúan de la misma forma que la ebonita electrificada por fricción con lana se denominan cargados negativamente. La elección del nombre “positivo” para las cargas que surgen en el vidrio y “negativo” para las cargas en la ebonita es completamente aleatoria.

Las cargas pueden transferirse (por ejemplo, por contacto directo) de un organismo a otro. A diferencia de la masa corporal, la carga eléctrica no es una característica integral de un cuerpo determinado. Un mismo cuerpo en diferentes condiciones puede tener una carga diferente.

La carga eléctrica es una cantidad física que caracteriza la propiedad de partículas o cuerpos de entrar en interacciones de fuerza electromagnética. El z. generalmente denotado por las letras q o Q. La totalidad de todos los hechos experimentales conocidos nos permite sacar las siguientes conclusiones:

Existen dos tipos de cargas eléctricas, convencionalmente llamadas positivas y negativas.

Las cargas iguales se repelen, las cargas diferentes se atraen. Esto también revela la diferencia fundamental entre las fuerzas electromagnéticas y las gravitacionales. Las fuerzas gravitacionales son siempre fuerzas de atracción.

Una de las leyes fundamentales de la naturaleza es la establecida experimentalmente. ley de conservación de la carga eléctrica .

En un sistema aislado, la suma algebraica de las cargas de todos los cuerpos permanece constante:

q 1 + q 2 + q 3 + ... +qn= constante

La ley de conservación de la carga eléctrica establece que en un sistema cerrado de cuerpos no se pueden observar procesos de creación o desaparición de cargas de un solo signo.

Desde un punto de vista moderno, los portadores de carga son partículas elementales. Todos los cuerpos ordinarios están compuestos de átomos, que incluyen protones cargados positivamente, electrones cargados negativamente y partículas neutras: neutrones. Los protones y neutrones forman parte de los núcleos atómicos, los electrones forman la capa electrónica de los átomos. Las cargas eléctricas de un protón y un electrón son exactamente iguales en magnitud e iguales a la carga elemental. mi.

En un átomo neutro, el número de protones en el núcleo es igual al número de electrones en la capa. este numero se llama número atómico . Un átomo de una sustancia determinada puede perder uno o más electrones o ganar un electrón extra. En estos casos, el átomo neutro se convierte en un ion con carga positiva o negativa.

La carga puede transferirse de un cuerpo a otro sólo en porciones que contengan un número entero de cargas elementales. Por tanto, la carga eléctrica del cuerpo es cantidad discreta:

Las cantidades físicas que sólo pueden tomar una serie discreta de valores se denominan cuantificado . Carga elemental mi es un cuanto (porción más pequeña) de carga eléctrica. Cabe señalar que en la física moderna de las partículas elementales se supone la existencia de los llamados quarks: partículas con carga fraccionada y, sin embargo, todavía no se han observado quarks en estado libre.

En experimentos de laboratorio comunes, un electrómetro - un dispositivo que consta de una varilla de metal y un puntero que puede girar alrededor de un eje horizontal.

El electrómetro es un instrumento bastante tosco; no permite estudiar las fuerzas de interacción entre cargas. La ley de interacción de cargas estacionarias fue descubierta por primera vez por el físico francés C. Coulomb en 1785. En sus experimentos, Coulomb midió las fuerzas de atracción y repulsión de bolas cargadas utilizando un dispositivo que diseñó: una balanza de torsión (Fig. 1.1.2). ), que se distinguió por una sensibilidad extremadamente alta. Por ejemplo, la barra de equilibrio se giró 1° bajo la influencia de una fuerza del orden de 10 –9 N.

La idea de las mediciones se basó en la brillante suposición de Coulomb de que si una bola cargada entra en contacto exactamente con la misma sin carga, la carga de la primera se dividirá en partes iguales entre ellas. Así, se indicó una forma de cambiar la carga de la pelota dos, tres, etc. En los experimentos de Coulomb se midió la interacción entre bolas cuyas dimensiones eran mucho menores que la distancia entre ellas. Estos cuerpos cargados suelen denominarse cargos puntuales.

Una carga puntual es un cuerpo cargado cuyas dimensiones pueden despreciarse en las condiciones de este problema.

También hay: carga lineal t(tau)=dq/dl, l-longitud, dq-carga del hilo

Carga superficial: σ =dq/ds s-área superficial (celda/m 2)

Carga de volumen p(ro)=dq/dv (celda/m3)

Las fuerzas de interacción obedecen a la tercera ley de Newton: son fuerzas de repulsión con los mismos signos de carga y fuerzas de atracción con signos diferentes (Fig. 1.1.3). La interacción de cargas eléctricas estacionarias se llama electrostático o Culombio interacción. La rama de la electrodinámica que estudia la interacción de Coulomb se llama electrostática .

La ley de Coulomb es válida para cuerpos con carga puntual. En la práctica, la ley de Coulomb se cumple si los tamaños de los cuerpos cargados son mucho menores que la distancia entre ellos.

Factor de proporcionalidad k En la ley de Coulomb depende de la elección del sistema de unidades. En el Sistema Internacional SI, la unidad de carga se considera colgante(Cl).

Colgante es una carga que pasa a través de la sección transversal de un conductor en 1 s con una corriente de 1 A. La unidad de corriente (amperio) en el SI es, junto con las unidades de longitud, tiempo y masa unidad básica de medida.

Coeficiente k En el sistema SI generalmente se escribe como:

La experiencia demuestra que las fuerzas de interacción de Coulomb obedecen al principio de superposición.

Si un cuerpo cargado interactúa simultáneamente con varios cuerpos cargados, entonces la fuerza resultante que actúa sobre un cuerpo dado es igual a la suma vectorial de las fuerzas que actúan sobre este cuerpo desde todos los demás cuerpos cargados.

El principio de superposición es una ley fundamental de la naturaleza. Sin embargo, su uso requiere cierta precaución cuando se trata de la interacción de cuerpos cargados de tamaños finitos (por ejemplo, dos bolas conductoras cargadas 1 y 2). Si se lleva una tercera bola cargada a un sistema de dos bolas cargadas, entonces la interacción entre 1 y 2 cambiará debido a redistribución de carga.

El principio de superposición establece que cuando distribución de carga dada (fija) En todos los cuerpos, las fuerzas de interacción electrostática entre dos cuerpos cualesquiera no dependen de la presencia de otros cuerpos cargados.