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Charge électrique et ses types. L'essence physique de la charge électrique

Charge électrique et ses types. L'essence physique de la charge électrique

La charge électrique est une grandeur physique qui caractérise l'intensité de l'interaction électromagnétique entre les corps. La charge électrique elle-même n'existe pas ; son porteur ne peut être qu'une particule de matière.

Propriétés de base

1. Dualité: dans la nature il y a des charges de deux signes, comme les charges se repoussent, les charges opposées s'attirent. À cet égard, les accusations conditionnelles sont divisées en positives et négatives.

La charge que possède une tige de verre frottée contre de la soie ou du papier est dite positive.

Négatif - la charge possédée par un bâton d'ambre ou d'ébonite frotté contre de la fourrure ou de la laine.

2. Quantification: Si une grandeur physique ne prend que certaines valeurs discrètes, elle est dite quantifiée (discrète). L'expérience montre que toute charge électrique est quantifiée, c'est-à-dire est constitué d'un nombre entier de charges élémentaires.

où =1,2,...entier ; e =1,6·1 -19 C - charge élémentaire.

L'électron a la plus petite charge négative (élémentaire), le proton a la charge positive.

1 coulomb est la charge traversant la section transversale d'un conducteur en une seconde lorsqu'un courant continu d'un ampère traverse le conducteur.

3. Conservation des charges.

Les charges électriques ne peuvent disparaître et réapparaître que par paires. Dans chacune de ces paires, les charges sont égales en ampleur et de signe opposé. Par exemple, un électron et un positron s'annihilent lorsqu'ils se rencontrent, c'est-à-dire se transforment en photons g neutres et les charges –e et +e disparaissent. Au cours d'un processus appelé production de paires, un photon g, entrant dans le champ d'un noyau atomique, se transforme en une paire de particules, un électron et un positron, et des charges +e et –e apparaissent.

Loi de conservation de charge : dans un système isolé, la somme algébrique des charges reste constante pour tous les changements au sein du système.

Isolé est un système de corps qui n'échange pas de charges avec l'environnement extérieur.

4. Invariance charge à divers référentiels inertiels.

L'expérience montre que l'ampleur de la charge ne dépend pas de la vitesse de déplacement du corps chargé. La même charge mesurée dans différents référentiels inertiels est la même.

5. Additivité: .

Classement des charges.

En fonction de la taille du corps chargé, les charges sont divisées en points et étendues.

· Une charge ponctuelle est un corps chargé dont les dimensions peuvent être négligées dans les conditions de ce problème.

· Étendu est la charge d'un corps dont les dimensions ne peuvent être négligées dans les conditions de ce problème. Les charges étendues sont divisées en linéaires, surfaciques et volumiques.

Par la capacité de se déplacer par rapport à la position d'équilibre sous l'influence de l'électricité externe. domaines, les frais sont classiquement divisés en gratuits, liés et étrangers.

Gratuit sont appelées charges qui peuvent se déplacer librement dans un corps sous l'influence de l'électricité externe. des champs.

En rapport sont appelées les charges qui font partie des molécules diélectriques, qui sont sous l'influence de l'électricité. les champs peuvent seulement se déplacer de leur position d'équilibre, mais ne peuvent pas quitter la molécule.

Tierce personne sont appelées charges situées sur le diélectrique, mais ne faisant pas partie de ses molécules.

La loi régissant la force d’interaction entre charges ponctuelles a été établie expérimentalement en 1785. Pendentif.

La loi de coulomb: la force d'interaction entre deux charges ponctuelles stationnaires est directement proportionnelle aux charges, inversement proportionnelle au carré de la distance qui les sépare, dirigée le long de la droite reliant les charges, et dépend de l'environnement dans lequel elles se trouvent.

où q 1, q 2 - valeurs de charge ; r est la distance entre les charges ;

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

e est la constante diélectrique du milieu.

La constante diélectrique d'une substance montre combien de fois la force d'interaction entre les charges dans un diélectrique donné est inférieure à celle dans le vide, vide = 1, est une quantité sans dimension.

Expliquons la raison de cet affaiblissement en considérant une bille chargée entourée d'un diélectrique. Le champ de la bille oriente les molécules du diélectrique et des charges liées négatives apparaissent sur la surface du diélectrique adjacente à la bille.

Le champ en tout point du diélectrique sera créé par deux sphères de charges opposées : la surface de la bille, chargée positivement, et la surface chargée négativement du diélectrique adjacent, tandis que le champ de charges liées est soustrait du champ de des frais gratuits, et le champ total sera plus faible que le champ d'une balle.

1. Intensité du champ électrostatique. Le principe de superposition des champs électriques. Flux vectoriel.

Toute charge modifie les propriétés de l'espace environnant - elle y crée un champ électrique.

Un champ électrique est l'une des formes d'existence de la matière entourant les charges électriques. Ce champ se manifeste par le fait qu’une charge électrique placée en un point quelconque est sous l’influence d’une force.

Le concept de champ électrique a été introduit dans la science dans les années 30 du XIXe siècle par le scientifique anglais Michael Faraday.

Selon Faraday, chaque charge électrique est entourée par le champ électrique qu’elle crée, c’est pourquoi une telle charge est parfois appelée charge source. La charge avec laquelle le champ de charge source est étudié est appelée charge de test.

Pour que la force agissant sur la charge d'essai caractérise le champ en un point donné ; La charge de test doit être une charge ponctuelle.

Frais ponctuels appelé corps chargé, dont les dimensions peuvent être négligées dans les conditions de ce problème, c'est-à-dire dont les dimensions sont petites par rapport aux distances aux autres corps avec lesquels il interagit. Dans ce cas, le champ électrique propre de la charge d’essai doit être si petit qu’il ne modifie pas le champ de la charge source. Plus la taille du corps chargé est petite et plus son propre champ est faible par rapport au champ de la charge source, plus ce corps chargé satisfait avec précision à la condition de charge de test.

Le champ électrique se propage dans le vide avec une vitesse c = 3·1 8 .

Le domaine des charges électriques stationnaires est électrostatique.

À l'aide d'une charge test, nous étudions le champ créé par une charge stationnaire - la source.

La force agissant sur la charge de test en un point donné du champ dépend de la taille de la charge de test. Si nous prenons différentes charges de test, alors la force agissant sur elles en un point donné du champ sera différente.

Cependant, le rapport entre la force et l'amplitude de la charge d'essai reste constant et caractérise le champ lui-même. Ce rapport est appelé intensité du champ électrique en un point donné.

Intensité du champ électrique est une quantité vectorielle numériquement égale à la force avec laquelle le champ agit sur une charge d'essai unitaire positive en un point donné du champ et codirectionnelle avec cette force.

La force est la caractéristique principale du champ et caractérise complètement le champ en chaque point en termes d'ampleur et de direction.

Intensité du champ d'une charge ponctuelle.

D'après la loi de Coulomb

est l'intensité du champ électrique d'une charge ponctuelle à une distance r de cette charge.

Il est pratique de représenter graphiquement le champ électrique à l'aide d'une image de ce qu'on appelle les lignes de force ou lignes de tension.

Ligne de tension est une ligne dont la tangente en chaque point coïncide en direction avec le vecteur tension en ce point.

Les lignes d'intensité de champ créées par les charges stationnaires commencent et se terminent toujours aux charges (ou à l'infini) et ne sont jamais fermées. Un champ plus fort est représenté par des lignes de tension plus densément espacées. La densité des lignes est choisie de telle sorte que le nombre de lignes perçant une surface unitaire du site perpendiculairement aux lignes soit égal à la valeur numérique du vecteur. Les lignes de tension ne se croisent jamais, parce que... leur intersection signifierait deux directions différentes du vecteur d'intensité de champ au même point, ce qui n'a pas de sens.

Un champ dans lequel l’intensité en tous points a la même ampleur et la même direction est appelé homogène. Dans un tel champ, les lignes de force sont parallèles et leur densité est la même partout, c'est-à-dire ils sont situés à la même distance les uns des autres.

Principe de superposition.

Si le champ électrique en un point donné est créé par plusieurs charges, alors l'intensité du champ résultant est égale à la somme vectorielle des intensités de champ créées séparément par chaque charge.

Le principe de superposition est un fait expérimental valable jusqu'à des champs très forts. Selon la même loi, non seulement des champs électromagnétiques statiques, mais également des champs électromagnétiques à évolution rapide se forment

Sélectionnons dans le champ vectoriel un certain volume limité par la surface S. Divisons cette surface en zones élémentaires de taille .

Un élément de surface orienté peut être introduit en considération. Un élément orienté d'une surface est un vecteur dont la longueur est égale à l'aire de l'élément et dont la direction coïncide avec la direction de la normale à cet élément. Pour une surface fermée, la normale extérieure à la surface est prise. Le choix de la direction étant arbitraire (conditionnel), il peut être orienté soit dans un sens depuis le site, soit dans l'autre. Ce n'est pas un vrai vecteur, mais un pseudo-vecteur ;

Élément de surface directionnel,

Surface élémentaire.

L'écoulement du vecteur tension à travers une surface élémentaire DS appelé le produit scalaire

où a est l'angle entre les vecteurs et ,

E n - projection sur la direction normale.

Après avoir additionné les flux à travers toutes les zones élémentaires dans lesquelles la surface S était divisée, on obtient le flux vectoriel à travers la surface S.

Le flux d'un vecteur à travers la surface S est l'intégrale

Pour une surface fermée.

Le flux vectoriel est une quantité algébrique :

Pour un champ uniforme

Le flux du vecteur tension peut recevoir une interprétation géométrique claire : il est numériquement égal au nombre de lignes de tension traversant une surface donnée.

2. Théorème de Gauss pour le flux vectoriel et son application pour calculer les champs de charges étendues dans le vide.

Connaissant l'intensité du champ d'une charge ponctuelle et utilisant le principe de superposition, il est possible de calculer l'intensité du champ créé par plusieurs charges ponctuelles. Cependant, pour des charges étendues, l’application du principe de superposition est difficile. Une méthode de calcul des champs créés par des charges étendues a été proposée par le scientifique allemand Gauss au début du XIXe siècle.

Théorème de Gauss pour le champ électrostatique dans le vide.

Considérons le champ d'une charge ponctuelle dans le vide et calculons le rayon de la sphère à travers la surface

Intensité du champ en tout point de la surface de la sphère

L'électricité nous entoure de toutes parts. Mais autrefois, ce n’était pas le cas. Parce que le mot lui-même vient du nom grec désignant un matériau spécifique : « électron », en grec, « ambre ». Ils ont mené avec lui des expériences intéressantes, semblables à des tours de magie. Les gens ont toujours aimé les miracles, mais ici toutes sortes de grains de poussière, de villosités, de fils, de poils ont commencé à être attirés par un morceau d'ambre, dès qu'il était frotté avec un morceau de tissu. Autrement dit, cette pierre dorée n’a pas de petites « poignées », mais elle peut ramasser les peluches.

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Accumulation d'électricité et connaissance de celle-ci

Une accumulation visible d'électricité se produisait également lorsqu'ils mettaient des objets artisanaux en ambre : des perles d'ambre, des pinces à cheveux en ambre. Il n'y a pas d'explications autres que magie évidente, il ne pouvait pas y en avoir. Après tout, pour que l'astuce réussisse, il fallait trier les perles exclusivement avec des mains propres et sèches et en étant assis avec des vêtements propres. Et des cheveux propres, bien frottés avec une épingle à cheveux, donnent quelque chose de beau et d'effrayant : un halo de cheveux dressés. Et même des crépitements. Et même dans l’obscurité, il y a des éclairs. C'est l'action d'un esprit exigeant et capricieux, mais aussi effrayant et incompréhensible. Mais le moment est venu où les phénomènes électriques ont cessé d’être le territoire de l’esprit.

Ils ont commencé à appeler tout simplement « interaction ». C'est à ce moment-là que nous avons commencé à expérimenter. Ils ont imaginé une machine spéciale pour cela (machine électrophorique) et un pot pour stocker l'électricité (pot de Leyde). Et un appareil qui pourrait déjà montrer du « égal-plus-moins » par rapport à l’électricité (électroscope). Il ne reste plus qu'à tout expliquer avec l'aide du langage des formules, de plus en plus puissant.

Ainsi, l’humanité a eu besoin de se rendre compte de la présence d’une certaine charge électrique dans la nature. En réalité, le titre ne contient aucune découverte. Moyens électriques associés aux phénomènes dont l'étude a commencé avec la magie de l'ambre. Le mot « charge » ne parle que de vagues possibilités intégrées dans un objet, comme un boulet de canon. Il est clair que l’électricité peut être produite et stockée d’une manière ou d’une autre. Et d’une manière ou d’une autre, il faut le mesurer. Ainsi qu'une substance ordinaire, par exemple le pétrole.

Et, par analogie avec les substances dont les plus petites particules (atomes) étaient parlées avec assurance depuis l'époque de Démocrite, et a décidé que la charge devait certainement être constituée de très petits «corpuscules» similaires - des corps. Le nombre de ceux-ci dans un grand corps chargé donnera la quantité de charge électrique.

Charge électrique - loi de conservation de la charge

Bien sûr, à cette époque, ils ne pouvaient même pas imaginer approximativement combien de tels «corpuscules» électriques pourraient apparaître, même dans un très petit corps chargé. Mais il fallait encore une unité pratique de charge électrique. Et ils ont commencé à l'inventer. Le pendentif, qui a ensuite donné son nom à une telle unité, mesurait apparemment l'ampleur des charges à l'aide de billes métalliques avec lesquelles il menait des expériences, mais d'une manière ou d'une autre de manière relative. J'ai ouvert mon la célèbre loi de Coulomb, dans lequel il écrit algébriquement que la force agissant entre deux charges q1 et q2 séparées par une distance R est proportionnelle à leur produit et inversement proportionnelle au carré de la distance qui les sépare.

Coefficient k dépend du milieu dans lequel l'interaction se produit, mais dans le vide, elle est égale à l'unité.

Probablement, après Kepler et Newton, faire de telles choses n’était pas si difficile. La distance est facile à mesurer. Il a divisé les charges physiquement, en touchant une balle à l'autre. Il s'est avéré que sur deux balles identiques, si l'une est chargée et l'autre non, lors du contact, la charge est divisée en deux - elle se disperse sur les deux balles. Ainsi, il a reçu des valeurs fractionnaires de la quantité inconnue d'origine q.

Étudier interaction des charges électriques, il a pris des mesures à différentes distances entre les balles, a enregistré les écarts sur ses balances de torsion, qui sont obtenus lorsque des balles chargées se repoussent. Apparemment, sa loi était une pure victoire pour l'algèbre, puisque Coulomb lui-même ne connaissait pas l'unité de mesure de la charge « coulomb » et ne pouvait tout simplement pas la connaître.

Une autre victoire fut la découverte du fait que la quantité totale de cette même quantité q dans les boules qu'il pouvait charger de cette manière restait toujours inchangée. C’est pourquoi il a appelé la loi ouverte la loi de conservation de la charge.

Q = q 1 + q 2 + q 3 + … + qn

Il faut rendre hommage à la précision et à la patience du scientifique, ainsi qu'au courage avec lequel il a proclamé ses lois, sans avoir une unité de la quantité de ce qu'il a étudié.

Une particule d'électricité - charge minimale

Ce n’est que plus tard qu’ils ont compris que la charge électrique élémentaire, c’est-à-dire la plus petite, est… un électron. Non seulement un petit morceau d'ambre, mais une particule inexprimablement petite qui n'est même pas (presque) une substance, mais qui est nécessairement présente dans tout corps matériel. Et même dans chaque atome de chaque substance. Et pas seulement dans les atomes, mais aussi autour d’eux. Et celles:

qui se trouvent dans les atomes sont appelés électrons liés.
et ceux qui l'entourent sont des électrons libres.

Les électrons sont liés dans un atome parce que le noyau atomique contient également des particules de charge - des protons, et chaque proton attirera certainement un électron vers lui. Juste selon la loi de Coulomb.

Et la charge que vous pouvez voir ou ressentir résulte de :

friction,
épargne, accumulation
réaction chimique,
induction électromagnétique,

constitué uniquement d'électrons libres qui ont été éjectés des atomes en raison de divers malentendus :

d'être frappé par un autre atome (émission thermique)
quantum de lumière (photoémission) et pour d'autres raisons

et errant à l'intérieur d'énormes corps macroscopiques (par exemple des cheveux).

Pour les électrons, les corps de nos objets sont vraiment énormes. Une unité de charge (coulomb) contient à peu près cette quantité d'électrons : un peu plus de 624 150 912 514 351 000. Cela ressemble à ceci : 624 quadrillions 150 billions 912 milliards 514 millions 351 mille électrons dans un coulomb de charge électrique.

Et le pendentif est une quantité très simple et proche de nous. Un coulomb est la même charge que circule en une seconde à travers la section transversale d'un conducteur si le courant qui y circule a une force d'un ampère. Autrement dit, à 1 ampère, pour chaque seconde, exactement ces 624 quadrillions... d'électrons traverseront la section transversale du fil.

Les électrons sont si mobiles et se déplacent si rapidement à l’intérieur des corps physiques qu’ils allument notre ampoule en un instant, dès que nous appuyons sur l’interrupteur. Et c’est pourquoi notre interaction électrique est si rapide que des événements appelés « recombinaison » se produisent chaque seconde. L’électron qui s’échappe trouve l’atome dont il vient de s’échapper et y occupe un espace libre.

Le nombre de tels événements par seconde est également de l'ordre de... eh bien, tout le monde l'imagine déjà. Et ces événements se répètent continuellement lorsque les électrons quittent les atomes puis y retournent. Ils s'enfuient et reviennent. C'est leur vie, sans elle, ils ne peuvent tout simplement pas exister. Et ce n'est que grâce à cela que l'électricité existe - ce système qui fait désormais partie de notre vie, de notre confort, de notre alimentation et de notre préservation.

Direction du courant. Qui est en charge de notre charge ?

Il ne reste plus qu’une petite curiosité que tout le monde connaît, mais qu’aucun physicien ne veut corriger.

Lorsque Coulomb jouait des tours avec ses balles, ils virent qu'il y avait deux types de charges. Et les charges du même type se repoussent, et les charges de types différents s’attirent. Il était naturel d'en citer quelques-uns positifs et d'autres négatifs. Et supposons que le courant électrique circule de là où il y en a plus vers là où il y en a moins. C'est-à-dire du plus au moins. C’est donc resté dans l’esprit des physiciens pendant de nombreuses générations.

Mais ce ne sont pas les électrons, mais les ions qui ont été découverts en premier. Ce sont précisément ces atomes inconsolables qui ont perdu leur électron. Dans le noyau duquel se trouve un proton « supplémentaire », et donc ils sont chargés. Eh bien, quand ils ont découvert cela, ils ont immédiatement soupiré et ont dit : voilà, vous êtes notre charge positive. Et le proton a acquis la réputation d’une particule chargée positivement.

Et puis ils ont réalisé que les atomes sont le plus souvent neutres car la charge électrique du noyau est équilibrée par la charge des couches électroniques tournant autour du noyau. Autrement dit, ils ont construit un modèle planétaire de l’atome. Et c’est seulement alors qu’ils ont compris que les atomes constituent toute (presque) la matière, son réseau cristallin solide ou la masse entière de son corps liquide. Autrement dit, les protons et les neutrons sont solidement installés dans les noyaux des atomes. Et pas à votre écoute, comme les électrons légers et mobiles. Par conséquent, le courant ne circule pas du plus vers le moins, mais au contraire du moins vers le plus.

Le mot électricité vient du nom grec de l'ambre - ελεκτρον .
L'ambre est la résine fossilisée des conifères. Les anciens remarquaient que si l’on frottait l’ambre avec un morceau de tissu, celui-ci attirerait les objets légers ou la poussière. Ce phénomène, que l'on appelle aujourd'hui électricité statique, peut être observé en frottant une tige d'ébonite ou de verre ou simplement une règle en plastique avec un chiffon.

Une règle en plastique soigneusement frottée avec une serviette en papier attire les petits morceaux de papier (Fig. 22.1). Vous avez peut-être vu des décharges d'électricité statique en vous coiffant ou en enlevant votre chemisier ou votre chemise en nylon. Vous avez peut-être subi un choc électrique lorsque vous avez touché une poignée de porte en métal après vous être levé d'un siège d'auto ou avoir marché sur un tapis synthétique. Dans tous ces cas, l’objet acquiert une charge électrique par frottement ; on dit que l’électrification se produit par friction.

Toutes les charges électriques sont-elles identiques ou existe-t-il différents types ? Il s’avère qu’il existe deux types de charges électriques, ce qui peut être prouvé par l’expérience simple suivante. Accrochez une règle en plastique par le milieu à un fil et frottez-la soigneusement avec un morceau de tissu. Si nous y apportons maintenant une autre règle électrifiée, nous constaterons que les règles se repoussent (Fig. 22.2, a).
De la même manière, en rapprochant une autre tige de verre électrifiée, nous observerons leur répulsion (Fig. 22.2,6). Si une tige de verre chargée est amenée vers une règle en plastique électrifiée, elle sera attirée (Fig. 22.2, c). La règle semble avoir un type de charge différent de celui de la tige de verre.
Il a été établi expérimentalement que tous les objets chargés se répartissent en deux catégories : soit ils sont attirés par le plastique et repoussés par le verre, soit, à l'inverse, repoussés par le plastique et attirés par le verre. Il semble y avoir deux types de charges : les charges du même type se repoussent et les charges de types différents s'attirent. Nous disons que les charges semblables se repoussent et que les charges différentes s'attirent.

L'homme d'État, philosophe et scientifique américain Benjamin Franklin (1706-1790) a qualifié ces deux types de charges de positives et de négatives. Le tarif à appeler ne faisait absolument aucune différence ;
Franklin a proposé que la charge d'une tige de verre électrifiée soit considérée comme positive. Dans ce cas, la charge apparaissant sur la règle en plastique (ou ambre) sera négative. Cet accord est toujours respecté aujourd'hui.

La théorie de l'électricité de Franklin était en fait un concept de « fluide unique » : une charge positive était considérée comme un excès de « fluide électrique » par rapport à son contenu normal dans un objet donné, et une charge négative comme son déficit. Franklin a soutenu que lorsque, à la suite d'un processus, une certaine charge apparaît dans un corps, la même quantité de charge de type opposé apparaît simultanément dans un autre corps. Les noms « positif » et « négatif » doivent donc être compris dans un sens algébrique, de sorte que la charge totale acquise par les corps dans tout processus soit toujours égale à zéro.

Par exemple, lorsqu’une règle en plastique est frottée avec une serviette en papier, la règle acquiert une charge négative et la serviette acquiert une charge positive égale. Il y a une séparation des charges, mais leur somme est nulle.
Cet exemple illustre le principe fermement établi loi de conservation de la charge électrique, qui se lit comme suit :

La charge électrique totale résultant de tout processus est nulle.

Des écarts par rapport à cette loi n'ont jamais été observés, on peut donc considérer qu'elle est aussi solidement établie que les lois de conservation de l'énergie et de la quantité de mouvement.

Charges électriques dans les atomes

Ce n’est qu’au siècle dernier qu’il est devenu clair que la raison de l’existence de la charge électrique réside dans les atomes eux-mêmes. Plus tard, nous discuterons plus en détail de la structure de l’atome et du développement d’idées à son sujet. Nous aborderons ici brièvement les principales idées qui nous aideront à mieux comprendre la nature de l’électricité.

Selon les concepts modernes, un atome (quelque peu simplifié) est constitué d'un noyau lourd chargé positivement entouré d'un ou plusieurs électrons chargés négativement.
À l’état normal, les charges positives et négatives d’un atome sont de même ampleur et l’atome dans son ensemble est électriquement neutre. Cependant, un atome peut perdre ou gagner un ou plusieurs électrons. Sa charge sera alors positive ou négative, et un tel atome est appelé un ion.

Dans un solide, les noyaux peuvent vibrer en restant proches de positions fixes, tandis que certains électrons se déplacent totalement librement. L'électrification par friction peut s'expliquer par le fait que dans différentes substances, les noyaux contiennent des électrons de forces différentes.
Lorsqu'une règle en plastique frottée avec une serviette en papier acquiert une charge négative, cela signifie que les électrons de la serviette en papier sont retenus moins fermement que dans le plastique et que certains d'entre eux sont transférés de la serviette à la règle. La charge positive de la serviette est égale en ampleur à la charge négative acquise par la règle.

En règle générale, les objets électrisés par friction ne conservent une charge que pendant un certain temps et finissent par revenir à un état électriquement neutre. Où va la charge ? Il « s’écoule » sur les molécules d’eau contenues dans l’air.
Le fait est que les molécules d'eau sont polaires : bien qu'en général elles soient électriquement neutres, leur charge n'est pas uniformément répartie (Fig. 22.3). Par conséquent, les électrons en excès de la règle électrifiée « s’écouleront » dans l’air, étant attirés vers la région chargée positivement de la molécule d’eau.
En revanche, la charge positive de l’objet sera neutralisée par les électrons, faiblement retenus par les molécules d’eau de l’air. Par temps sec, l'influence de l'électricité statique est beaucoup plus sensible : il y a moins de molécules d'eau dans l'air et la charge s'écoule moins rapidement. Par temps humide et pluvieux, l’article ne parvient pas à conserver sa charge longtemps.

Isolateurs et conducteurs

Supposons qu'il y ait deux boules métalliques, dont l'une est hautement chargée et l'autre est électriquement neutre. Si nous les connectons avec, par exemple, un clou en fer, la balle non chargée acquerra rapidement une charge électrique. Si nous touchons simultanément les deux balles avec un bâton en bois ou un morceau de caoutchouc, alors la balle, qui n'avait pas de charge, restera non chargée. Des substances telles que le fer sont appelées conducteurs d’électricité ; le bois et le caoutchouc sont appelés non-conducteurs ou isolants.

Les métaux sont généralement de bons conducteurs ; La plupart des autres substances sont des isolants (cependant, les isolants conduisent un peu l’électricité). Il est intéressant de noter que presque tous les matériaux naturels appartiennent à l’une de ces deux catégories très différentes.
Il existe cependant des substances (parmi lesquelles il convient de citer le silicium, le germanium et le carbone) qui appartiennent à une catégorie intermédiaire (mais également nettement distincte). On les appelle semi-conducteurs.

Du point de vue de la théorie atomique, les électrons des isolants sont très étroitement liés aux noyaux, tandis que dans les conducteurs, de nombreux électrons sont très faiblement liés et peuvent se déplacer librement dans la substance.
Lorsqu’un objet chargé positivement est rapproché ou touche un conducteur, les électrons libres se déplacent rapidement vers la charge positive. Si un objet est chargé négativement, alors les électrons, au contraire, ont tendance à s'en éloigner. Dans les semi-conducteurs, il y a très peu d'électrons libres et dans les isolants, ils sont pratiquement absents.

Charge induite. Électroscope

Apportons un objet métallique chargé positivement à un autre objet métallique (neutre).

Au contact, les électrons libres d’un objet neutre seront attirés vers un objet chargé positivement et certains d’entre eux y seront transférés. Comme le deuxième objet manque désormais d’un certain nombre d’électrons chargés négativement, il acquiert une charge positive. Ce processus est appelé électrification en raison de la conductivité électrique.

Rapprochons maintenant l'objet chargé positivement de la tige métallique neutre, mais de manière à ce qu'ils ne se touchent pas. Même si les électrons ne quitteront pas la tige métallique, ils se dirigeront néanmoins vers l'objet chargé ; une charge positive apparaîtra à l'extrémité opposée de la tige (Fig. 22.4). Dans ce cas, on dit qu'une charge est induite (ou induite) aux extrémités de la tige métallique. Bien sûr, aucune nouvelle charge n’apparaît : les charges se séparent simplement, mais dans l’ensemble la tige reste électriquement neutre. Cependant, si nous coupions maintenant la tige en croix au milieu, nous obtiendrions deux objets chargés - l'un avec une charge négative, l'autre avec une charge positive.

Vous pouvez également transmettre une charge à un objet métallique en le connectant avec un fil au sol (ou, par exemple, à une conduite d'eau allant dans le sol), comme le montre la Fig. 22.5, a. On dit que le sujet est fondé. En raison de sa taille énorme, la Terre accepte et cède des électrons ; il agit comme un réservoir de charge. Si vous rapprochez un objet chargé, disons négativement, du métal, alors les électrons libres du métal seront repoussés et beaucoup iront le long du fil dans le sol (Fig. 22.5,6). Le métal sera chargé positivement. Si vous débranchez maintenant le fil, une charge induite positive restera sur le métal. Mais si vous faites cela après que l'objet chargé négativement ait été retiré du métal, alors tous les électrons auront le temps de revenir et le métal restera électriquement neutre.

Un électroscope (ou simple électromètre) est utilisé pour détecter la charge électrique.

Comme on peut le voir sur la Fig. 22.6, il est constitué d'un corps, à l'intérieur duquel se trouvent deux feuilles mobiles, souvent en or. (Parfois, un seul vantail est rendu mobile.) Les vantaux sont montés sur une tige métallique isolée du corps et se terminant à l'extérieur par une boule métallique. Si vous rapprochez un objet chargé de la balle, une séparation des charges se produit dans la tige (Fig. 22.7, a), les feuilles s'avèrent chargées de la même manière et se repoussent, comme le montre la figure.

La tige peut être complètement chargée en raison de la conductivité électrique (Fig. 22.7, b). Dans tous les cas, plus la charge est importante, plus les feuilles divergent.

Notez cependant que le signe de la charge ne peut pas être déterminé de cette manière : une charge négative séparera les feuilles exactement à la même distance qu'une charge positive égale. Et pourtant, un électroscope peut être utilisé pour déterminer le signe de la charge ; pour cela, il faut d'abord donner à la tige, par exemple, une charge négative (Fig. 22.8, a). Si vous amenez maintenant un objet chargé négativement vers la boule de l'électroscope (Fig. 22.8,6), des électrons supplémentaires se déplaceront vers les feuilles et celles-ci s'éloigneront davantage. Au contraire, si une charge positive est apportée à la boule, alors les électrons s'éloigneront des feuilles et se rapprocheront (Fig. 22.8, c), puisque leur charge négative diminuera.

L'électroscope était largement utilisé à l'aube de l'électrotechnique. Les électromètres modernes très sensibles fonctionnent sur le même principe lorsqu'ils utilisent des circuits électroniques.

Cette publication est basée sur des éléments du livre de D. Giancoli. "La physique en deux volumes" 1984 Tome 2.

À suivre. En bref sur la publication suivante :

Forcer F, avec lequel un corps chargé agit sur un autre corps chargé, est proportionnel au produit de leurs charges Q 1 et Q 2 et inversement proportionnel au carré de la distance r entre eux.

Les commentaires et suggestions sont acceptés et bienvenus !

Résumé sur le génie électrique

Complété par : Agafonov Roman

Collège agro-industriel de Luga

Il est impossible de donner une définition brève et satisfaisante à tous égards. Nous sommes habitués à trouver des explications compréhensibles à des formations et des processus très complexes comme l'atome, les cristaux liquides, la répartition des molécules par vitesse, etc. Mais les concepts les plus élémentaires, fondamentaux, indivisibles en concepts plus simples, dépourvus, selon la science d'aujourd'hui, de tout mécanisme interne, ne peuvent plus être expliqués brièvement et de manière satisfaisante. Surtout si les objets ne sont pas directement perçus par nos sens. Ce sont précisément ces concepts fondamentaux auxquels fait référence la charge électrique.

Essayons d'abord de découvrir non pas ce qu'est une charge électrique, mais ce qui se cache derrière l'énoncé : ce corps ou cette particule a une charge électrique.

Vous savez que tous les corps sont construits à partir de minuscules particules, indivisibles en particules plus simples (pour autant que la science le sache aujourd'hui), qui sont donc appelées élémentaires. Toutes les particules élémentaires ont une masse et de ce fait elles sont attirées les unes vers les autres. Selon la loi de la gravitation universelle, la force d’attraction diminue relativement lentement à mesure que la distance qui les sépare augmente : inversement proportionnelle au carré de la distance. De plus, la plupart des particules élémentaires, mais pas toutes, ont la capacité d'interagir les unes avec les autres avec une force qui diminue également en proportion inverse du carré de la distance, mais cette force est un nombre énorme de fois supérieure à la force de gravité. . Ainsi, dans l’atome d’hydrogène, schématisé sur la figure 1, l’électron est attiré vers le noyau (proton) avec une force 1039 fois supérieure à la force d’attraction gravitationnelle.

Si les particules interagissent entre elles avec des forces qui diminuent lentement avec l’augmentation de la distance et sont plusieurs fois supérieures aux forces de gravité, alors on dit que ces particules ont une charge électrique. Les particules elles-mêmes sont dites chargées. Il existe des particules sans charge électrique, mais il n’y a pas de charge électrique sans particule.

Les interactions entre particules chargées sont appelées électromagnétiques. Quand on dit que les électrons et les protons sont chargés électriquement, cela signifie qu’ils sont capables d’interactions d’un certain type (électromagnétique), et rien de plus. Le manque de charge sur les particules signifie qu’il ne détecte pas de telles interactions. La charge électrique détermine l’intensité des interactions électromagnétiques, tout comme la masse détermine l’intensité des interactions gravitationnelles. La charge électrique est la deuxième caractéristique (après la masse) la plus importante des particules élémentaires, qui détermine leur comportement dans le monde qui les entoure.

Ainsi

La charge électrique est une quantité physique scalaire qui caractérise la propriété des particules ou des corps à entrer dans des interactions de forces électromagnétiques.

La charge électrique est symbolisée par les lettres q ou Q.

Tout comme en mécanique la notion de point matériel est souvent utilisée, ce qui permet de simplifier considérablement la solution de nombreux problèmes, lors de l'étude de l'interaction des charges, la notion de charge ponctuelle est efficace. Une charge ponctuelle est un corps chargé dont les dimensions sont nettement inférieures à la distance entre ce corps et le point d'observation et les autres corps chargés. En particulier, s'ils parlent de l'interaction de deux charges ponctuelles, ils supposent ainsi que la distance entre les deux corps chargés considérés est nettement supérieure à leurs dimensions linéaires.

La charge électrique d’une particule élémentaire n’est pas un « mécanisme » spécial dans la particule qui pourrait en être retirée, décomposée en ses composants et réassemblée. La présence d'une charge électrique sur un électron et d'autres particules signifie uniquement l'existence de certaines interactions entre eux.

Dans la nature, il existe des particules portant des charges de signes opposés. La charge d’un proton est dite positive et celle d’un électron est dite négative. Le signe positif d’une charge sur une particule ne signifie bien entendu pas qu’elle présente des avantages particuliers. L'introduction de charges de deux signes exprime simplement le fait que les particules chargées peuvent à la fois attirer et repousser. Si les signes de charge sont les mêmes, les particules se repoussent, et si les signes de charge sont différents, elles s'attirent.

Il n’existe actuellement aucune explication sur les raisons de l’existence de deux types de charges électriques. Dans tous les cas, aucune différence fondamentale n’est trouvée entre les charges positives et négatives. Si les signes des charges électriques des particules changeaient à l'opposé, alors la nature des interactions électromagnétiques dans la nature ne changerait pas.

Les charges positives et négatives sont très bien équilibrées dans l’Univers. Et si l’Univers est fini, alors sa charge électrique totale est, selon toute vraisemblance, égale à zéro.

La chose la plus remarquable est que la charge électrique de toutes les particules élémentaires est strictement de même ampleur. Il existe une charge minimale, dite élémentaire, que possèdent toutes les particules élémentaires chargées. La charge peut être positive, comme un proton, ou négative, comme un électron, mais le module de charge est le même dans tous les cas.

Il est impossible de séparer une partie de la charge, par exemple d’un électron. C'est peut-être la chose la plus surprenante. Aucune théorie moderne ne peut expliquer pourquoi les charges de toutes les particules sont les mêmes et n'est pas capable de calculer la valeur de la charge électrique minimale. Elle est déterminée expérimentalement à l'aide de diverses expériences.

Dans les années 1960, après que le nombre de particules élémentaires nouvellement découvertes ait commencé à croître de manière alarmante, on a émis l’hypothèse que toutes les particules en interaction forte étaient composites. Les particules plus fondamentales étaient appelées quarks. Ce qui était frappant, c'est que les quarks devaient avoir une charge électrique fractionnaire : 1/3 et 2/3 de la charge élémentaire. Pour construire des protons et des neutrons, deux types de quarks suffisent. Et leur nombre maximum ne dépasse apparemment pas six.

Il est impossible de créer un étalon macroscopique d'une unité de charge électrique, similaire à l'étalon de longueur - un mètre, en raison de la fuite inévitable de charge. Il serait naturel de considérer la charge d’un électron comme une seule (c’est ce qui se fait désormais en physique atomique). Mais à l’époque de Coulomb, l’existence des électrons dans la nature n’était pas encore connue. De plus, la charge de l’électron est trop petite et donc difficile à utiliser comme étalon.

Dans le Système International d'Unités (SI), l'unité de charge, le coulomb, s'établit à partir de l'unité de courant :

1 coulomb (C) est une charge traversant la section transversale d'un conducteur en 1 s à un courant de 1 A.

Une charge de 1 C est très importante. Deux de ces charges à une distance de 1 km se repousseraient avec une force légèrement inférieure à la force avec laquelle le globe attire une charge pesant 1 tonne. Par conséquent, il est impossible de transmettre une charge de 1 C à un petit corps (environ). quelques mètres). Se repoussant les unes les autres, les particules chargées ne pourraient pas rester sur un tel corps. Aucune autre force n'existe dans la nature qui serait capable de compenser la répulsion coulombienne dans ces conditions. Mais dans un conducteur généralement neutre, il n'est pas difficile de mettre en mouvement une charge de 1 C. En effet, dans une ampoule ordinaire d'une puissance de 100 W sous une tension de 127 V, s'établit un courant légèrement inférieur à 1 A. Dans le même temps, en 1 s une charge quasiment égale à 1 C traverse la croix -section du conducteur.

Un électromètre est utilisé pour détecter et mesurer les charges électriques. Un électromètre est constitué d'une tige métallique et d'un pointeur pouvant tourner autour d'un axe horizontal (Fig. 2). La tige avec la flèche est fixée dans un manchon en plexiglas et placée dans un boîtier métallique cylindrique, fermé par des couvercles en verre.

Le principe de fonctionnement de l'électromètre. Mettons la tige chargée positivement en contact avec la tige de l'électromètre. Nous verrons que l'aiguille de l'électromètre s'écarte d'un certain angle (voir Fig. 2). La rotation de la flèche s'explique par le fait que lorsqu'un corps chargé entre en contact avec la tige de l'électromètre, des charges électriques se répartissent le long de la flèche et de la tige. Les forces répulsives agissant entre des charges électriques similaires sur la tige et le pointeur font tourner le pointeur. Électrifions à nouveau la tige d'ébonite et touchons à nouveau la tige de l'électromètre avec. L'expérience montre qu'avec l'augmentation de la charge électrique sur la tige, l'angle de déviation de la flèche par rapport à la position verticale augmente. Par conséquent, par l'angle de déviation de l'aiguille de l'électromètre, on peut juger de la valeur de la charge électrique transférée à la tige de l'électromètre.

L'ensemble de tous les faits expérimentaux connus permet de mettre en évidence les propriétés suivantes de la charge :

Il existe deux types de charges électriques, classiquement appelées positives et négatives. Les corps chargés positivement sont ceux qui agissent sur d'autres corps chargés de la même manière que le verre électrifié par friction avec la soie. Les corps qui agissent de la même manière que l'ébonite électrifiée par frottement avec la laine sont appelés chargés négativement. Le choix du nom « positive » pour les charges provenant du verre, et « négative » pour les charges sur l'ébonite, est totalement aléatoire.

Les charges peuvent être transférées (par exemple par contact direct) d’un organisme à un autre. Contrairement à la masse corporelle, la charge électrique ne fait pas partie intégrante d’un corps donné. Le même corps, dans des conditions différentes, peut avoir une charge différente.

La charge électrique est une grandeur physique qui caractérise la propriété des particules ou des corps à entrer dans des interactions de forces électromagnétiques. El z. généralement désigné par les lettres q ou Q. L'ensemble de tous les faits expérimentaux connus permet de tirer les conclusions suivantes :

Il existe deux types de charges électriques, classiquement appelées positives et négatives.

Les charges semblables se repoussent, contrairement aux charges qui s'attirent. Cela révèle également la différence fondamentale entre les forces électromagnétiques et gravitationnelles. Les forces gravitationnelles sont toujours des forces attractives.

L'une des lois fondamentales de la nature est la loi établie expérimentalement loi de conservation de la charge électrique .

Dans un système isolé, la somme algébrique des charges de tous les corps reste constante :

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

La loi de conservation des charges électriques stipule que dans un système fermé d'organismes, on ne peut pas observer les processus de création ou de disparition des charges d'un seul signe.

D'un point de vue moderne, les porteurs de charge sont des particules élémentaires. Tous les corps ordinaires sont composés d'atomes, qui comprennent des protons chargés positivement, des électrons chargés négativement et des particules neutres - les neutrons. Les protons et les neutrons font partie des noyaux atomiques, les électrons forment la couche électronique des atomes. Les charges électriques d'un proton et d'un électron sont exactement de même ampleur et égales à la charge élémentaire e.

Dans un atome neutre, le nombre de protons dans le noyau est égal au nombre d’électrons dans la coquille. Ce numéro s'appelle numéro atomique . Un atome d’une substance donnée peut perdre un ou plusieurs électrons ou gagner un électron supplémentaire. Dans ces cas, l’atome neutre se transforme en un ion chargé positivement ou négativement.

Les charges ne peuvent être transférées d'un corps à un autre que par portions contenant un nombre entier de charges élémentaires. Ainsi, la charge électrique du corps est quantité discrète:

Les grandeurs physiques qui ne peuvent prendre qu'une série discrète de valeurs sont appelées quantifié . Charge élémentaire e est un quantique (la plus petite partie) de charge électrique. Il convient de noter que dans la physique moderne des particules élémentaires, on suppose l'existence de ce qu'on appelle les quarks - des particules avec une charge fractionnaire et Cependant, les quarks n'ont pas encore été observés à l'état libre.

Dans les expériences courantes en laboratoire, un électromètre - un dispositif constitué d'une tige métallique et d'un pointeur pouvant tourner autour d'un axe horizontal.

L'électromètre est un instrument assez rudimentaire ; il ne permet pas d'étudier les forces d'interaction entre charges. La loi d'interaction des charges stationnaires a été découverte pour la première fois par le physicien français C. Coulomb en 1785. Dans ses expériences, Coulomb a mesuré les forces d'attraction et de répulsion des boules chargées à l'aide d'un appareil qu'il a conçu - une balance de torsion (Fig. 1.1.2 ), qui se distinguait par une sensibilité extrêmement élevée. Par exemple, le fléau a pivoté de 1° sous l’influence d’une force de l’ordre de 10 –9 N.

L'idée des mesures était basée sur la brillante hypothèse de Coulomb selon laquelle si une balle chargée est mise en contact avec exactement la même balle non chargée, alors la charge de la première sera divisée également entre elles. Ainsi, un moyen a été indiqué pour modifier la charge de la balle de deux, trois, etc. Dans les expériences de Coulomb, on a mesuré l'interaction entre des boules dont les dimensions étaient bien inférieures à la distance qui les séparait. De tels corps chargés sont généralement appelés frais ponctuels.

Une charge ponctuelle est un corps chargé dont les dimensions peuvent être négligées dans les conditions de ce problème.

Il y a aussi: charge linéaire t(tau)=dq/dl, l-longueur, dq-charge du fil

Charge de surface : σ =dq/ds s-surface (cellule/m 2)

Charge volumique p(ro)=dq/dv (cellule/m3)

Les forces d'interaction obéissent à la troisième loi de Newton : ce sont des forces répulsives avec les mêmes signes de charges et des forces attractives avec des signes différents (Fig. 1.1.3). L'interaction des charges électriques stationnaires est appelée électrostatique ou Coulomb interaction. La branche de l'électrodynamique qui étudie l'interaction coulombienne s'appelle électrostatique .

La loi de Coulomb est valable pour les corps chargés ponctuellement. En pratique, la loi de Coulomb est bien satisfaite si la taille des corps chargés est bien inférieure à la distance qui les sépare.

Facteur de proportionnalité k dans la loi de Coulomb dépend du choix du système d'unités. Dans le système international SI, l'unité de charge est considérée comme étant pendentif(Cl).

Pendentif est une charge traversant la section transversale d'un conducteur en 1 s à un courant de 1 A. L'unité de courant (ampère) en SI est, avec les unités de longueur, de temps et de masse unité de mesure de base.

Coefficient k dans le système SI, il s'écrit généralement comme suit :

L'expérience montre que les forces d'interaction coulombiennes obéissent au principe de superposition.

Si un corps chargé interagit simultanément avec plusieurs corps chargés, alors la force résultante agissant sur un corps donné est égale à la somme vectorielle des forces agissant sur ce corps par tous les autres corps chargés.

Le principe de superposition est une loi fondamentale de la nature. Cependant, son utilisation nécessite une certaine prudence lorsqu'il s'agit d'interaction de corps chargés de tailles finies (par exemple, deux boules conductrices chargées 1 et 2). Si une troisième balle chargée est amenée à un système de deux balles chargées, alors l'interaction entre 1 et 2 changera en raison de redistribution des charges.

Le principe de superposition stipule que lorsque répartition des charges donnée (fixe) sur tous les corps, les forces d'interaction électrostatique entre deux corps quelconques ne dépendent pas de la présence d'autres corps chargés.