Električni naboj i njegove vrste. Fizička suština električnog naboja

Električni naboj je fizikalna veličina koja karakterizira intenzitet elektromagnetskog međudjelovanja između tijela. Sam električni naboj ne postoji, njegov nositelj može biti samo čestica materije.

Osnovna svojstva

1. Dvojnost: u prirodi postoje naboji dva predznaka, poput naboja se odbijaju, suprotni naboji se privlače. S tim u vezi, uvjetne naplate dijelimo na pozitivne i negativne.

Naboj koji ima staklena šipka trljana o svilu ili papir naziva se pozitivnim.

Negativno - naboj koji posjeduje jantarni ili ebonitni štapić trljajući o krzno ili vunu.

2. Kvantizacija: Ako fizikalna veličina poprima samo određene diskretne vrijednosti, kaže se da je kvantizirana (diskretna). Iskustvo pokazuje da je svaki električni naboj kvantiziran, tj. sastoji se od cijelog broja elementarnih naboja.

gdje je =1,2,...cijeli broj; e =1.6·1 -19 C - elementarni naboj.

Elektron ima najmanji (elementarni) negativni naboj, proton ima pozitivan naboj.

1 kulon je naboj koji prolazi kroz poprečni presjek vodiča u jednoj sekundi kada kroz vodič teče istosmjerna struja od jednog ampera.

3. Očuvanje naboja.

Električni naboji mogu nestati i ponovno se pojaviti samo u paru. U svakom takvom paru naboji su jednaki po veličini i suprotnog predznaka. Na primjer, elektron i pozitron anihiliraju kada se susretnu, tj. pretvaraju se u neutralne g - fotone, a naboji –e i +e nestaju. Tijekom procesa koji se naziva proizvodnja para, foton g, ulazeći u polje atomske jezgre, pretvara se u par čestica, elektron i pozitron, te nastaju naboji +e i –e.

Zakon očuvanja naboja: u izoliranom sustavu, algebarski zbroj naboja ostaje konstantan za sve promjene unutar sustava.

Izolirano je sustav tijela koji ne izmjenjuje naboje s vanjskom okolinom.

4. Invarijantnost naboj u različite inercijalne referentne okvire.

Iskustvo pokazuje da veličina naboja ne ovisi o brzini gibanja nabijenog tijela. Isti je naboj izmjeren u različitim inercijskim okvirima izvješćivanja isti.

5. Aditivnost: .

Klasifikacija naknada.

Ovisno o veličini nabijenog tijela naboje dijelimo na točkaste i produžene.

· Točkasti naboj je nabijeno tijelo čije se dimenzije u uvjetima ovog zadatka mogu zanemariti.

· Produženi je naboj tijela čije se dimenzije ne mogu zanemariti u uvjetima ovog problema. Produženi naboji se dijele na linearne, površinske i volumne.

Sposobnošću pomicanja u odnosu na ravnotežni položaj pod utjecajem vanjskog elektriciteta. polja, naboji se konvencionalno dijele na slobodne, vezane i strane.

Besplatno nazivaju se naboji koji se mogu slobodno kretati u tijelu pod utjecajem vanjskog elektriciteta. polja.

Povezano nazivaju se naboji koji ulaze u sastav molekula dielektrika, koji pod utjecajem el. polja se mogu samo pomaknuti iz svog ravnotežnog položaja, ali ne mogu napustiti molekulu.

Treća strana nazivaju se naboji koji se nalaze na dielektriku, ali nisu dio njegovih molekula.

Zakon koji upravlja silom međudjelovanja između točkastih naboja ustanovljen je eksperimentalno 1785. godine. Privjesak.

Coulombov zakon: sila međudjelovanja između dva stacionarna točkasta naboja izravno je proporcionalna nabojima, obrnuto proporcionalna kvadratu udaljenosti između njih, usmjerena duž pravca koji spaja naboje, a ovisi o okolini u kojoj se nalaze.

gdje q 1, q 2 - vrijednosti naboja; r udaljenost između naboja;

8,85 1 -12 C 2 / (N m 2) - električna konstanta,

e je dielektrična konstanta medija.

Dielektrična konstanta tvari pokazuje koliko je puta sila međudjelovanja naboja u određenom dielektriku manja nego u vakuumu, vakuum = 1, bezdimenzijska je veličina.

Objasnimo razlog ovog slabljenja razmatrajući nabijenu kuglicu okruženu dielektrikom. Polje kuglice usmjerava molekule dielektrika, a na površini dielektrika uz kuglicu pojavljuju se negativni vezani naboji.

Polje u bilo kojoj točki dielektrika stvorit će dvije suprotno nabijene kugle: površina kuglice, pozitivno nabijena, i negativno nabijena površina dielektrika koja je uz nju, dok se polje vezanih naboja oduzima od polja slobodnih naboja, a ukupno polje će biti slabije od polja jedne lopte.

1. Jakost elektrostatskog polja. Princip superpozicije električnih polja. Vektorski tok.

Bilo koji naboj mijenja svojstva okolnog prostora - u njemu stvara električno polje.

Električno polje je jedan od oblika postojanja materije koja okružuje električne naboje. Ovo polje se očituje u činjenici da je električni naboj smješten u bilo kojoj točki pod utjecajem sile.

Pojam električnog polja u znanost je uveo 30-ih godina 19. stoljeća engleski znanstvenici Michael Faraday.

Prema Faradayu, svaki je električni naboj okružen električnim poljem koje stvara, pa se takav naboj ponekad naziva izvorni naboj. Naboj s kojim se proučava polje naboja izvora naziva se probni naboj.

Kako bi sila koja djeluje na ispitni naboj karakterizirala polje u danoj točki; Probni naboj mora biti točkasti naboj.

Točkasti naboj naziva se nabijeno tijelo čije se dimenzije u uvjetima ovog problema mogu zanemariti, tj. čije su dimenzije male u usporedbi s udaljenostima do drugih tijela s kojima je u interakciji. U tom slučaju vlastito električno polje ispitnog naboja mora biti toliko malo da ne mijenja polje izvornog naboja. Što je nabijeno tijelo manje i što je njegovo vlastito polje slabije u odnosu na polje izvora naboja, to nabijeno tijelo točnije zadovoljava uvjet probnog naboja.

Električno polje se u vakuumu širi brzinom c = 3·1 8 .

Polje stacionarnih električnih naboja je elektrostatičko.

Probnim nabojem istražujemo polje koje stvara stacionarni naboj – izvor.

Sila koja djeluje na ispitni naboj u određenoj točki polja ovisi o veličini ispitnog naboja. Ako uzmemo različite probne naboje, tada će sila koja djeluje na njih u danoj točki polja biti drugačija.

Međutim, omjer sile i veličine ispitnog naboja ostaje konstantan i karakterizira samo polje. Taj se omjer naziva jakost električnog polja u određenoj točki.

Jačina električnog polja je vektorska veličina numerički jednaka sili kojom polje djeluje na jedinični pozitivni probni naboj u danoj točki polja i kosmjerno s tom silom.

Jakost je glavna karakteristika polja i potpuno karakterizira polje u svakoj točki po veličini i smjeru.

Jakost polja točkastog naboja.

Prema Coulombovom zakonu

=

je jakost električnog polja točkastog naboja na udaljenosti r od tog naboja.

Električno polje zgodno je grafički prikazati pomoću slike takozvanih linija sile, odnosno linija napetosti.

Zatezna linija je pravac čija se tangenta u svakoj točki podudara po smjeru s vektorom napetosti u toj točki.

Linije jakosti polja koje stvaraju stacionarni naboji uvijek počinju i završavaju na nabojima (ili u beskonačnosti) i nikada nisu zatvorene. Jače polje predstavljeno je gušće raspoređenim linijama napetosti. Gustoća linija je odabrana tako da je broj linija koje probijaju jediničnu površinu mjesta okomito na linije jednak numeričkoj vrijednosti vektora. Linije napetosti se nikada ne presijecaju, jer... njihovo sjecište značilo bi dva različita smjera vektora jakosti polja u istoj točki, što nema smisla.

Polje u kojem je intenzitet u svim točkama iste veličine i istog smjera naziva se homogenim. U takvom polju silnice su paralelne i gustoća im je posvuda jednaka, tj. nalaze se na istoj udaljenosti jedna od druge.

Princip superpozicije.

Ako električno polje u određenoj točki stvara više naboja, tada je jakost rezultirajućeg polja jednaka vektorskom zbroju jakosti polja koje stvara svaki naboj zasebno.

Načelo superpozicije je eksperimentalna činjenica koja vrijedi do vrlo jakih polja. Prema istom zakonu nastaju ne samo statička, već i brzo promjenjiva elektromagnetska polja

Izaberimo u vektorskom polju određeni volumen ograničen plohom S. Podijelimo tu plohu na elementarna područja veličine .

U razmatranje se može uvesti element usmjerene površine. Usmjereni element površine je vektor čija je duljina jednaka površini elementa, a smjer se podudara sa smjerom normale na ovaj element. Za zatvorenu površinu uzima se vanjska normala na površinu. Budući da je izbor smjera proizvoljan (uvjetan), on može biti usmjeren ili u jednom smjeru od mjesta ili u drugom, to nije pravi vektor, već pseudovektor.

Element usmjerene površine,

Elementarna površina.

Tok vektora napetosti kroz elementarnu plohu dS naziva se skalarni produkt

gdje je a kut između vektora i ,

E n - projekcija na normalni pravac.

Zbrojivši tokove kroz sva elementarna područja na koja je podijeljena ploha S, dobivamo vektorski tok kroz plohu S.

Tok vektora kroz plohu S je integral

Za zatvorenu površinu.

Vektorski tok je algebarska veličina:

Za jednolično polje

Tok vektora napetosti može se jasno geometrijski interpretirati: on je brojčano jednak broju linija napetosti koje sijeku određenu površinu.

2. Gaussov teorem za vektorski tok i njegova primjena za izračunavanje polja proširenih naboja u vakuumu.

Poznavajući jakost polja točkastog naboja, a korištenjem načela superpozicije, moguće je izračunati jakost polja koju stvara nekoliko točkastih naboja. Međutim, za proširene naboje primjena načela superpozicije je teška. Metodu za izračunavanje polja stvorenih proširenim nabojima predložio je njemački znanstvenik Gauss početkom 19. stoljeća.

Gaussov teorem za elektrostatičko polje u vakuumu.

Promotrimo polje točkastog naboja u vakuumu i izračunajmo polumjer kugle kroz površinu

Jakost polja u bilo kojoj točki na površini kugle

Struja nas okružuje sa svih strana. Ali nekad davno to nije bio slučaj. Jer sama riječ dolazi od grčkog naziva za određeni materijal: “elektron”, na grčkom “jantar”. S njim su provodili zanimljive eksperimente, slične mađioničarskim trikovima. Ljudi su oduvijek voljeli čuda, ali ovdje su svakakve mrlje prašine, resice, niti, dlačice počele privlačiti komadić jantara, čim bi ga protrljao komadom tkanine. Odnosno, ovaj zlatni kamen nema male "ručke", ali može pokupiti pahuljice.

U kontaktu s

Kolege

Akumulacija električne energije i znanje o njoj

Do vidljivog nakupljanja elektriciteta dolazilo je i kad su stavljali rukotvorine od jantara: perle od jantara, kopče za kosu od jantara. Nema drugih objašnjenja osim očita magija, nije ih moglo biti. Uostalom, da bi trik bio uspješan, perle je bilo potrebno sortirati isključivo čistim, suhim rukama i sjedeći u čistoj odjeći. A čista kosa, dobro istrljana ukosnicom, daje nešto lijepo i zastrašujuće: aureolu kose koja strši uvis. Pa čak i pucketanje. Pa čak iu tami ima bljeskova. To je djelovanje duha koji je zahtjevan i hirovit, ali i zastrašujući i neshvatljiv. Ali došlo je vrijeme i električni fenomeni su prestali biti područje duha.

Sve su počeli jednostavno nazivati ​​"interakcija". Tada smo počeli eksperimentirati. Za to su osmislili poseban stroj (elektroforni stroj), te posudu za pohranu elektriciteta (Leyden jar). I uređaj koji bi već mogao pokazati neko “jednako-više-manje” u odnosu na struju (elektroskop). Ostaje samo da se sve objasni uz pomoć sve snažnijeg jezika formula.

Tako je čovječanstvo došlo do potrebe prepoznavanja prisutnosti određenog električnog naboja u prirodi. Zapravo, naslov ne sadrži nikakvo otkriće. Električno znači povezano s pojavama čije je proučavanje počelo s magijom jantara. Riječ "naboj" govori samo o nejasnim mogućnostima ugrađenim u objekt, poput topovske kugle. Jasno je samo da se električna energija može nekako proizvesti i nekako pohraniti. I nekako se to mora mjeriti. Isto kao i obična tvar, na primjer, ulje.

I, po analogiji s tvarima, o čijim se najmanjim česticama (atomima) pouzdano govorilo još od vremena Demokrita, i zaključio da se naboj svakako mora sastojati od sličnih vrlo malih "korpuskula" - tijela. Čiji će broj u velikom nabijenom tijelu dati količinu električnog naboja.

Električni naboj - zakon održanja naboja

Naravno, u to vrijeme nisu mogli ni približno zamisliti koliko se takvih električnih “korpuskula” može pojaviti čak iu vrlo malom nabijenom tijelu. Ali još uvijek je bila potrebna praktična jedinica električnog naboja. I počeli su ga izmišljati. Privjesak, po kojem je takva jedinica kasnije dobila ime, očito je mjerio veličinu naboja pomoću metalnih kuglica s kojima je izvodio eksperimente, ali nekako relativno. Otvorio moj poznati Coulombov zakon, u kojem je algebarski napisao da je sila koja djeluje između dva naboja q1 i q2 odvojena udaljenosti R proporcionalna njihovom umnošku i obrnuto proporcionalna kvadratu udaljenosti između njih.

Koeficijent k ovisi o mediju u kojem se međudjelovanje događa, ali u vakuumu je jednako jedinici.

Vjerojatno, nakon Keplera i Newtona, raditi takve stvari nije bilo tako teško. Udaljenost je lako izmjeriti. Fizički je podijelio naboje, dodirujući jednu kuglicu drugu. Ispostavilo se da se na dvije identične kuglice, ako je jedna nabijena, a druga nije, pri dodiru naboj podijeli na pola - rasprši se po obje kuglice. Tako je dobio frakcijske vrijednosti izvorne nepoznate količine q.

studiranje interakcija električnih naboja, vršio je mjerenja na različitim udaljenostima između kuglica, bilježio odstupanja na svojim torzijskim vagama, koja se dobivaju kada se nabijene kuglice međusobno odbijaju. Očigledno je njegov zakon bio čista pobjeda za algebru, budući da sam Coulomb nije poznavao mjernu jedinicu naboja "coulomb" i jednostavno je nije mogao znati.

Još jedna pobjeda bila je otkriće činjenice da je ukupna količina te iste količine q u kuglicama koje je mogao nabiti na ovaj način uvijek ostala nepromijenjena. Zato je otvoreni zakon nazvao zakonom održanja naboja.

Q = q 1 + q 2 + q 3 + … + q n

Moramo odati počast točnosti i strpljenju znanstvenika, kao i hrabrosti s kojom je objavljivao svoje zakone, a da nije imao jedinicu količine onoga što je proučavao.

Čestica elektriciteta - minimalni naboj

Tek kasnije su shvatili da je elementarni, odnosno najmanji električni naboj... elektron. Samo ne mali komadić jantara, nego neizrecivo mala čestica koja čak i nije tvar (skoro), ali koja je nužno prisutna u bilo kojem materijalnom tijelu. I čak u svakom atomu svake tvari. I ne samo u atomima, nego i oko njih. I oni:

• koji se nalaze u atomima nazivaju se vezani elektroni.
• a oni okolo su slobodni elektroni.

Elektroni su vezani u atomu jer se u atomskoj jezgri nalaze i čestice naboja – protoni, a svaki će proton sigurno privući elektron k sebi. Upravo prema Coulombovom zakonu.

A naboj koji možete vidjeti ili osjetiti proizlazi iz:

• trenje,
• štednja, akumulacija
• kemijska reakcija,
• elektromagnetska indukcija,

sastoje se samo od slobodnih elektrona koji su izbačeni iz atoma zbog raznih nesporazuma:

1. od udara drugog atoma (toplinska emisija)
2. kvantuma svjetlosti (fotoemisija) i iz drugih razloga

i lutanje unutar ogromnih makroskopskih tijela (na primjer, dlake).

Što se tiče elektrona, tijela naših tijela doista su golema. Jedna jedinica naboja (kulon) sadrži otprilike ovu količinu elektrona: nešto više od 624.150.912.514.351.000. Zvuči ovako: 624 kvadrilijuna 150 bilijuna 912 milijardi 514 milijuna 351 tisuća elektrona u jednom kulonu električnog naboja.

A privjesak je vrlo jednostavna količina i blizu nas. Kulon je isti naboj koji teče u jednoj sekundi poprečnim presjekom vodiča ako struja u njemu ima snagu od jednog ampera. To jest, pri 1 amperu, svake sekunde, samo ovih 624 kvadrilijuna ... elektrona će treperiti kroz presjek žice.

Elektroni su toliko pokretljivi i tako se brzo kreću unutar fizičkih tijela da nam u trenu upale žarulju, čim pritisnemo prekidač. I zato je naša električna interakcija tako brza da se događaji koji se nazivaju "rekombinacija" događaju svake sekunde. Odbjegli elektron pronalazi atom iz kojeg je upravo pobjegao i zauzima slobodan prostor u njemu.

Broj takvih događaja u sekundi također je reda veličine... pa, ovo već svi zamišljaju. I ti se događaji kontinuirano ponavljaju kada elektroni napuštaju atome i zatim se vraćaju u atome. Pobjegnu i vrate se. To je njihov život, bez toga jednostavno ne mogu postojati. I samo zahvaljujući tome postoji električna energija – taj sustav koji je postao dio našeg života, naše udobnosti, naše prehrane i očuvanja.

Trenutni smjer. Tko je zadužen za našu dužnost?

Ostala je još samo jedna mala zanimljivost koju svi znaju, ali nitko od fizičara ne želi ispraviti.

Kad je Coulomb igrao trikove sa svojim jajima, vidjeli su da postoje dvije vrste naboja. I naboji iste vrste se međusobno odbijaju, a naboji različitih vrsta privlače. Bilo je prirodno imenovati neke od njih pozitivni, a drugi negativni. I pretpostavimo da električna struja teče od mjesta gdje je više do mjesta gdje je manje. Odnosno iz plusa u minus. Tako je to ostalo u glavama fizičara za mnoge generacije.

Ali tada nisu bili prvi otkriveni elektroni, već ioni. To su upravo oni neutješni atomi koji su izgubili svoj elektron. U čijoj se jezgri nalazi "dodatni" proton, pa su stoga nabijeni. E, kad su to otkrili, odmah su uzdahnuli i rekli – evo ga, vi ste naš pozitivni naboj. I proton je stekao reputaciju pozitivno nabijene čestice.

A onda su shvatili da su atomi najčešće neutralni jer je električni naboj jezgre uravnotežen nabojem elektronskih ljuski koje rotiraju oko jezgre. Odnosno, izgradili su planetarni model atoma. I tek tada su shvatili da atomi čine svu (gotovo) materiju, njenu čvrstu kristalnu rešetku, odnosno cjelokupnu masu njenog tekućeg tijela. To jest, protoni s neutronima čvrsto stoje u jezgrama atoma. A ne na vaš mig i poziv, poput svjetlosnih i pokretnih elektrona. Posljedično, struja ne teče od plusa do minusa, već, naprotiv, od minusa do plusa.

Riječ elektricitet dolazi od grčkog naziva za jantar - ελεκτρον .
Jantar je fosilizirana smola crnogoričnog drveća. Stari su primijetili da ako trljate jantar komadom tkanine, on će privući lagane predmete ili prašinu. Ovaj fenomen, koji danas nazivamo statičkim elektricitetom, može se promatrati tako da se krpom trlja ebonitna ili staklena šipka ili jednostavno plastično ravnalo.

Plastično ravnalo, koje je dobro istrljano papirnatim ubrusom, privlači male komadiće papira (slika 22.1). Možda ste vidjeli pražnjenje statičkog elektriciteta dok ste se češljali ili skidali najlonsku bluzu ili košulju. Možda ste doživjeli strujni udar kada ste dodirnuli metalnu kvaku nakon ustajanja sa sjedala automobila ili hodanja po sintetičkom tepihu. U svim tim slučajevima, predmet trenjem dobiva električni naboj; kažu da naelektrisanje nastaje trenjem.

Jesu li svi električni naboji isti ili postoje različiti tipovi? Ispostavilo se da postoje dvije vrste električnih naboja, što se može dokazati sljedećim jednostavnim pokusom. Objesite plastično ravnalo za sredinu na konac i dobro ga istrljajte komadom tkanine. Ako mu sada prinesemo još jedno naelektrizirano ravnalo, ustanovit ćemo da se ravnala međusobno odbijaju (Sl. 22.2, a).
Na isti način, prinoseći drugu naelektriziranu staklenu šipku jednoj, promatrat ćemo njihovo odbijanje (sl. 22.2,6). Ako se naelektrizirana staklena šipka prinese elektrificiranom plastičnom ravnalu, oni će se privući (slika 22.2, c). Čini se da ravnalo ima drugačiju vrstu naboja od staklene šipke.
Eksperimentalno je utvrđeno da se svi naelektrisani objekti dijele u dvije kategorije: ili ih privlači plastika, a odbija staklo, ili, obrnuto, odbija plastika, a privlači staklo. Čini se da postoje dvije vrste naboja, naboji iste vrste odbijaju, a naboji različitih vrsta privlače. Kažemo da se jednaki naboji odbijaju, a različiti privlače.

Američki državnik, filozof i znanstvenik Benjamin Franklin (1706.-1790.) ove je dvije vrste naboja nazvao pozitivnim i negativnim. Nije bilo apsolutno svejedno koju naknadu nazvati;
Franklin je predložio da se naboj naelektrizirane staklene šipke smatra pozitivnim. U tom će slučaju naboj koji se pojavljuje na plastičnom ravnalu (ili jantaru) biti negativan. Ovaj sporazum se poštuje i danas.

Franklinova teorija elektriciteta zapravo je bila koncept "jednog fluida": pozitivan naboj se smatrao viškom "električnog fluida" u odnosu na njegov normalni sadržaj u danom objektu, a negativni naboj kao nedostatak. Franklin je tvrdio da kada se, kao rezultat nekog procesa, određeni naboj pojavi u jednom tijelu, ista količina naboja suprotne vrste istovremeno se javlja u drugom tijelu. Imena "pozitivan" i "negativan" stoga treba shvatiti u algebarskom smislu, tako da je ukupni naboj koji tijela steknu u bilo kojem procesu uvijek jednak nuli.

Na primjer, kada se plastično ravnalo protrlja papirnatom salvetom, ravnalo dobije negativan naboj, a salveta jednak pozitivni naboj. Postoji razdvajanje naboja, ali njihov zbroj je nula.
Ovaj primjer ilustrira čvrsto utemeljeno zakon održanja električnog naboja, koji glasi:

Ukupni električni naboj koji proizlazi iz bilo kojeg procesa je nula.

Odstupanja od ovog zakona nikada nisu primijećena, stoga možemo smatrati da je čvrsto utemeljen kao i zakoni održanja energije i količine gibanja.

Električni naboji u atomima

Tek u prošlom stoljeću postalo je jasno da razlog postojanja električnog naboja leži u samim atomima. Kasnije ćemo detaljnije raspravljati o strukturi atoma i razvoju ideja o njemu. Ovdje ćemo ukratko raspraviti glavne ideje koje će nam pomoći da bolje razumijemo prirodu elektriciteta.

Prema modernim konceptima, atom (donekle pojednostavljeno) sastoji se od teške pozitivno nabijene jezgre okružene jednim ili više negativno nabijenih elektrona.
U normalnom stanju, pozitivni i negativni naboji u atomu jednaki su po veličini, a atom kao cjelina je električki neutralan. Međutim, atom može izgubiti ili dobiti jedan ili više elektrona. Tada će njegov naboj biti pozitivan ili negativan, a takav se atom naziva ion.

U krutom tijelu jezgre mogu vibrirati, ostajući u blizini fiksnih položaja, dok se neki elektroni kreću potpuno slobodno. Elektrifikacija trenjem može se objasniti činjenicom da u različitim tvarima jezgre drže elektrone različite jakosti.
Kada plastično ravnalo koje se protrlja papirnatim ubrusom dobije negativan naboj, to znači da se elektroni u papirnatom ubrusu drže manje čvrsto nego u plastičnom, a neki od njih prelaze s ubrusa na ravnalo. Pozitivni naboj ubrusa jednak je po veličini negativnom naboju koji postiže ravnalo.

Tipično, objekti naelektrizirani trenjem zadržavaju naboj samo neko vrijeme i na kraju se vraćaju u električki neutralno stanje. Gdje ide naknada? Ona se "odvodi" na molekule vode sadržane u zraku.
Činjenica je da su molekule vode polarne: iako su općenito električki neutralne, naboj u njima nije ravnomjerno raspoređen (sl. 22.3). Stoga će višak elektrona s naelektriziranog ravnala "iscuriti" u zrak, privlačeći ga pozitivno nabijeno područje molekule vode.
S druge strane, pozitivni naboj objekta neutralizirat će elektroni, koje slabo drže molekule vode u zraku. Za suhog vremena utjecaj statičkog elektriciteta mnogo je vidljiviji: manje je molekula vode u zraku i naboj ne istječe tako brzo. U vlažnom, kišnom vremenu, predmet ne može dugo zadržati napunjenost.

Izolatori i vodiči

Neka postoje dvije metalne kuglice od kojih je jedna jako nabijena, a druga električki neutralna. Spojimo li ih, recimo, željeznim čavlom, nenabijena kuglica brzo će dobiti električni naboj. Ako drvenom palicom ili komadićem gume istovremeno dotaknemo obje kuglice, tada će kuglica koja nije imala naboj ostati nenabijena. Tvari poput željeza nazivaju se vodičima elektriciteta; drvo i guma nazivaju se nevodičima ili izolatorima.

Metali su općenito dobri vodiči; Većina drugih tvari su izolatori (međutim, izolatori malo provode elektricitet). Zanimljivo, gotovo svi prirodni materijali spadaju u jednu od ove dvije oštro različite kategorije.
Postoje, međutim, tvari (među kojima treba spomenuti silicij, germanij i ugljik) koje pripadaju srednjoj (ali također oštro odvojenoj) kategoriji. Zovu se poluvodiči.

Sa stajališta atomske teorije, elektroni u izolatorima su vrlo čvrsto vezani za jezgre, dok su u vodičima mnogi elektroni vezani vrlo slabo i mogu se slobodno kretati unutar tvari.
Kada se pozitivno nabijen objekt približi vodiču ili ga dodirne, slobodni elektroni se brzo kreću prema pozitivnom naboju. Ako je objekt negativno nabijen, tada se elektroni, naprotiv, nastoje udaljiti od njega. U poluvodičima ima vrlo malo slobodnih elektrona, au izolatorima ih praktički nema.

Inducirani naboj. elektroskop

Približimo pozitivno nabijen metalni predmet drugom (neutralnom) metalnom predmetu.

Nakon kontakta slobodni elektroni neutralnog objekta privući će pozitivno nabijeni i dio njih će prijeći na njega. Budući da drugom objektu sada nedostaje određeni broj negativno nabijenih elektrona, on dobiva pozitivan naboj. Taj se proces zbog električne vodljivosti naziva elektrifikacija.

Približimo sada pozitivno nabijeni predmet neutralnoj metalnoj šipki, ali tako da se ne dodiruju. Iako elektroni neće napustiti metalnu šipku, ipak će se kretati prema nabijenom objektu; na suprotnom kraju štapa pojavit će se pozitivan naboj (sl. 22.4). U ovom slučaju kaže se da je naboj induciran (ili induciran) na krajevima metalne šipke. Naravno, ne nastaju novi naboji: naboji su se jednostavno razdvojili, ali u cjelini štap je ostao električki neutralan. Međutim, kada bismo sada šipku presjekli poprečno po sredini, dobili bismo dva nabijena objekta - jedan s negativnim nabojem, drugi s pozitivnim nabojem.

Također možete prenijeti naboj na metalni predmet tako da ga žicom povežete s uzemljenjem (ili, na primjer, s vodovodnom cijevi koja ide u zemlju), kao što je prikazano na sl. 22.5, a. Za predmet se kaže da je utemeljen. Zbog svoje enormne veličine, Zemlja prima i predaje elektrone; djeluje kao spremnik naboja. Ako nabijeni, recimo negativno, predmet približite metalu, tada će se slobodni elektroni metala odbiti i mnogi će otići duž žice u zemlju (Sl. 22.5,6). Metal će biti pozitivno nabijen. Ako sada odspojite žicu, na metalu će ostati pozitivni inducirani naboj. Ali ako to učinite nakon što se negativno nabijeni objekt ukloni iz metala, tada će svi elektroni imati vremena vratiti se natrag i metal će ostati električki neutralan.

Elektroskop (ili jednostavni elektrometar) koristi se za otkrivanje električnog naboja.

Kao što se može vidjeti sa Sl. 22,6, sastoji se od tijela, unutar kojega se nalaze dva pomična lista, često od zlata. (Ponekad je samo jedan list napravljen pokretnim.) Listovi su montirani na metalnu šipku, koja je izolirana od tijela i završava s vanjske strane metalnom kuglom. Ako nabijeni objekt približite lopti, dolazi do razdvajanja naboja u štapu (Sl. 22.7, a), listovi se ispostavljaju jednako nabijeni i međusobno se odbijaju, kao što je prikazano na slici.

Možete potpuno napuniti šipku zbog električne vodljivosti (slika 22.7, b). U svakom slučaju, što je naboj veći, listovi se više razilaze.

Imajte na umu, međutim, da se predznak naboja ne može odrediti na ovaj način: negativan naboj će odvojiti listove na točno istoj udaljenosti kao jednaki pozitivni naboj. Pa ipak, elektroskop se može koristiti za određivanje predznaka naboja; za to se šipki prvo mora dati, recimo, negativan naboj (slika 22.8, a). Ako sada prinesete negativno nabijen objekt kugli elektroskopa (sl. 22.8,6), tada će se dodatni elektroni pomaknuti na listove i oni će se dalje udaljavati. Naprotiv, ako se pozitivni naboj dovede do lopte, tada će se elektroni odmaknuti od lišća i približiti (sl. 22.8, c), jer će se njihov negativni naboj smanjiti.

Elektroskop je bio naširoko korišten u zoru elektrotehnike. Vrlo osjetljivi moderni elektrometri rade na istom principu kada koriste elektroničke sklopove.

Ova se publikacija temelji na materijalima iz knjige D. Giancolija. "Fizika u dva toma" 1984, svezak 2.

Nastavit će se. Ukratko o sljedećoj publikaciji:

Sila F, kojim jedno nabijeno tijelo djeluje na drugo nabijeno tijelo, proporcionalan je umnošku njihovih naboja Q 1 i Q 2 i obrnuto proporcionalan kvadratu udaljenosti r između njih.

Komentari i prijedlozi su prihvaćeni i dobrodošli!

Sažetak o elektrotehnici

Dovršio: Agafonov Roman

Agroindustrijska škola Luga

Nemoguće je dati kratku definiciju naknade koja bi bila zadovoljavajuća u svim aspektima. Navikli smo nalaziti razumljiva objašnjenja za vrlo složene formacije i procese kao što su atom, tekući kristali, raspodjela molekula po brzini itd. Ali najosnovniji, temeljni pojmovi, nedjeljivi na jednostavnije, lišeni, prema današnjoj znanosti, bilo kakvog unutarnjeg mehanizma, više se ne mogu ukratko objasniti na zadovoljavajući način. Pogotovo ako objekte ne percipiramo izravno našim osjetilima. Upravo se na te temeljne pojmove odnosi električni naboj.

Pokušajmo prvo otkriti ne što je električni naboj, već što se krije iza tvrdnje: ovo tijelo ili čestica ima električni naboj.

Vi znate da su sva tijela građena od sićušnih čestica, nedjeljivih u jednostavnije (koliko znanost sada zna) čestice, koje se stoga i zovu elementarne. Sve elementarne čestice imaju masu i zbog toga se međusobno privlače. Prema zakonu univerzalne gravitacije, sila privlačenja opada relativno sporo kako se udaljenost između njih povećava: obrnuto proporcionalno kvadratu udaljenosti. Osim toga, većina elementarnih čestica, iako ne sve, imaju sposobnost međusobnog djelovanja silom koja također opada obrnuto proporcionalno kvadratu udaljenosti, ali je ta sila golem broj puta veća od sile gravitacije. . Tako je u atomu vodika, shematski prikazanom na slici 1, elektron privučen jezgri (protonu) silom 1039 puta većom od sile gravitacijskog privlačenja.

Ako čestice međusobno djeluju silama koje polako opadaju s povećanjem udaljenosti i višestruko su veće od sila gravitacije, tada se kaže da te čestice imaju električni naboj. Same čestice nazivamo nabijenim. Postoje čestice bez električnog naboja, ali nema električnog naboja bez čestice.

Interakcije između nabijenih čestica nazivamo elektromagnetskim. Kada kažemo da su elektroni i protoni električno nabijeni, to znači da su sposobni za interakcije određenog tipa (elektromagnetske), i ništa više. Nedostatak naboja na česticama znači da ne otkriva takve interakcije. Električni naboj određuje intenzitet elektromagnetskih međudjelovanja, kao što masa određuje intenzitet gravitacijskih međudjelovanja. Električni naboj je druga (nakon mase) najvažnija karakteristika elementarnih čestica, koja određuje njihovo ponašanje u okolnom svijetu.

Tako

Električni naboj je fizikalna skalarna veličina koja karakterizira svojstvo čestica ili tijela da stupaju u interakcije elektromagnetskih sila.

Električni naboj simboliziraju slova q ili Q.

Kao što se u mehanici često koristi pojam materijalne točke, što omogućuje značajno pojednostavljenje rješenja mnogih problema, pri proučavanju međudjelovanja naboja učinkovit je pojam točkastog naboja. Točkasti naboj je nabijeno tijelo čije su dimenzije znatno manje od udaljenosti od tog tijela do točke promatranja i drugih nabijenih tijela. Konkretno, ako govore o međudjelovanju dvaju točkastih naboja, oni time pretpostavljaju da je udaljenost između dva razmatrana nabijena tijela znatno veća od njihovih linearnih dimenzija.

Električni naboj elementarne čestice nije poseban “mehanizam” u čestici koji bi se iz nje mogao skinuti, razložiti na sastavne dijelove i ponovno sastaviti. Prisutnost električnog naboja na elektronu i drugim česticama znači samo postojanje određenih međudjelovanja među njima.

U prirodi postoje čestice s nabojima suprotnih predznaka. Naboj protona naziva se pozitivnim, a naboj elektrona negativnim. Pozitivan predznak naboja na čestici ne znači, naravno, da ona ima neke posebne prednosti. Uvođenje naboja dva predznaka jednostavno izražava činjenicu da se nabijene čestice mogu i privlačiti i odbijati. Ako su predznaci naboja isti, čestice se odbijaju, a ako su predznaci različitih, čestice se privlače.

Trenutačno nema objašnjenja razloga postojanja dviju vrsta električnih naboja. U svakom slučaju, nema temeljnih razlika između pozitivnih i negativnih naboja. Kad bi se predznaci električnih naboja čestica promijenili u suprotne, tada se priroda elektromagnetskih međudjelovanja u prirodi ne bi promijenila.

Pozitivni i negativni naboji vrlo su dobro uravnoteženi u Svemiru. A ako je Svemir konačan, onda je njegov ukupni električni naboj, po svoj prilici, jednak nuli.

Najzanimljivija stvar je da je električni naboj svih elementarnih čestica strogo isti po veličini. Postoji minimalni naboj, nazvan elementarni, koji posjeduju sve nabijene elementarne čestice. Naboj može biti pozitivan, poput protona, ili negativan, poput elektrona, ali je modul naboja isti u svim slučajevima.

Nemoguće je odvojiti dio naboja, na primjer, od elektrona. To je možda ono što najviše iznenađuje. Niti jedna moderna teorija ne može objasniti zašto su naboji svih čestica isti, a nije u stanju izračunati vrijednost minimalnog električnog naboja. Utvrđuje se eksperimentalno pomoću raznih pokusa.

U 1960-ima, nakon što je broj novootkrivenih elementarnih čestica počeo alarmantno rasti, postavljena je hipoteza da su sve čestice koje su u snažnoj interakciji kompozitne. Fundamentalnije čestice zvale su se kvarkovi. Ono što je bilo zapanjujuće je da bi kvarkovi trebali imati frakcijski električni naboj: 1/3 i 2/3 elementarnog naboja. Za izgradnju protona i neutrona dovoljne su dvije vrste kvarkova. A njihov maksimalni broj, očito, ne prelazi šest.

Nemoguće je stvoriti makroskopski etalon jedinice električnog naboja, sličan etalonu duljine - metru, zbog neizbježnog curenja naboja. Bilo bi prirodno uzeti naboj elektrona kao jedan (to se danas radi u atomskoj fizici). Ali u Coulombovo vrijeme postojanje elektrona u prirodi još nije bilo poznato. Osim toga, naboj elektrona je premali i stoga ga je teško koristiti kao standard.

U Međunarodnom sustavu jedinica (SI), jedinica naboja, kulon, utvrđuje se pomoću jedinice struje:

1 kulon (C) je naboj koji prolazi kroz poprečni presjek vodiča u 1 s pri struji od 1 A.

Naboj od 1 C je vrlo velik. Dva takva naboja na udaljenosti od 1 km odbijala bi se silom nešto manjom od sile kojom zemaljska kugla privlači teret težine 1 tone. Stoga je nemoguće malom tijelu (oko veličine nekoliko metara). Odbijajući se jedna od druge, nabijene čestice ne bi mogle ostati na takvom tijelu. U prirodi ne postoje druge sile koje bi bile u stanju kompenzirati Coulombovo odbijanje pod ovim uvjetima. Ali u vodiču koji je općenito neutralan, nije teško pokrenuti naboj od 1 C. Doista, u običnoj žarulji snage 100 W pri naponu od 127 V uspostavlja se struja koja je nešto manja od 1 A. Istovremeno, u 1 s naboj gotovo jednak 1 C prolazi kroz križ -presjek vodiča.

Elektrometar se koristi za otkrivanje i mjerenje električnih naboja. Elektrometar se sastoji od metalne šipke i kazaljke koja se može okretati oko horizontalne osi (slika 2). Štap sa strelicom učvršćen je u tuljcu od pleksiglasa i smješten u cilindrično metalno kućište, zatvoreno staklenim poklopcima.

Princip rada elektrometra. Dodirnimo pozitivno nabijenu šipku šipkom elektrometra. Vidjet ćemo da igla elektrometra odstupa za određeni kut (vidi sl. 2). Rotacija strelice se objašnjava činjenicom da kada nabijeno tijelo dođe u kontakt sa šipkom elektrometra, električni naboji se raspoređuju duž strelice i šipke. Odbojne sile koje djeluju između sličnih električnih naboja na štapu i kazaljki uzrokuju rotaciju kazaljke. Ponovno naelektrizirajmo ebonitni štap i ponovno njime dotaknimo štap elektrometra. Iskustvo pokazuje da se s povećanjem električnog naboja na štapu povećava kut odstupanja strelice od okomitog položaja. Prema tome, prema kutu otklona igle elektrometra, može se prosuditi vrijednost električnog naboja prenesenog na šipku elektrometra.

Ukupnost svih poznatih eksperimentalnih činjenica omogućuje nam da istaknemo sljedeća svojstva naboja:

Postoje dvije vrste električnih naboja, konvencionalno nazvani pozitivni i negativni. Pozitivno nabijena tijela su ona koja na druga nabijena tijela djeluju isto kao staklo naelektrizirano trenjem o svilu. Tijela koja djeluju na isti način kao ebonit naelektrizirana trenjem o vunu nazivamo negativno nabijena. Odabir naziva “pozitivan” za naboje koji nastaju na staklu, odnosno “negativan” za naboje na ebonitu, potpuno je slučajan.

Naboji se mogu prenositi (npr. izravnim kontaktom) s jednog tijela na drugo. Za razliku od mase tijela, električni naboj nije sastavna karakteristika određenog tijela. Isto tijelo pod različitim uvjetima može imati različit naboj.

Električni naboj je fizikalna veličina koja karakterizira svojstvo čestica ili tijela da stupaju u interakcije elektromagnetskih sila. El z. obično se označavaju slovima q ili Q. Ukupnost svih poznatih eksperimentalnih činjenica omogućuje nam da izvučemo sljedeće zaključke:

Postoje dvije vrste električnih naboja, konvencionalno nazvani pozitivni i negativni.

Naboji se mogu prenositi (npr. izravnim kontaktom) s jednog tijela na drugo. Za razliku od mase tijela, električni naboj nije sastavna karakteristika određenog tijela. Isto tijelo pod različitim uvjetima može imati različit naboj.

Kao naboji odbijaju, za razliku od naboja privlače. Ovo također otkriva temeljnu razliku između elektromagnetskih i gravitacijskih sila. Gravitacijske sile su uvijek privlačne sile.

Jedan od temeljnih zakona prirode je eksperimentalno utvrđen zakon održanja električnog naboja .

U izoliranom sustavu algebarski zbroj naboja svih tijela ostaje konstantan:

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

Zakon održanja električnog naboja kaže da se u zatvorenom sustavu tijela ne mogu promatrati procesi stvaranja ili nestanka naboja samo jednog predznaka.

Sa suvremenog gledišta, nositelji naboja su elementarne čestice. Sva obična tijela sastavljena su od atoma, koji uključuju pozitivno nabijene protone, negativno nabijene elektrone i neutralne čestice - neutrone. Protoni i neutroni dio su atomskih jezgri, elektroni čine elektronsku ljusku atoma. Električni naboji protona i elektrona potpuno su jednaki po veličini i jednaki elementarnom naboju e.

U neutralnom atomu broj protona u jezgri jednak je broju elektrona u ljusci. Ovaj broj se zove atomski broj . Atom određene tvari može izgubiti jedan ili više elektrona ili dobiti dodatni elektron. U tim se slučajevima neutralni atom pretvara u pozitivno ili negativno nabijen ion.

Naboj se može prenositi s jednog tijela na drugo samo u dijelovima koji sadrže cijeli broj elementarnih naboja. Dakle, električni naboj tijela je diskretna količina:

Nazivaju se fizičke veličine koje mogu poprimiti samo diskretne nizove vrijednosti kvantiziran . Elementarni naboj e je kvant (najmanji dio) električnog naboja. Valja napomenuti da se u suvremenoj fizici elementarnih čestica pretpostavlja postojanje takozvanih kvarkova - čestica s frakcijskim nabojem i Međutim, kvarkovi još nisu uočeni u slobodnom stanju.

U uobičajenim laboratorijskim pokusima, a elektrometar - naprava koja se sastoji od metalne šipke i kazaljke koja se može okretati oko horizontalne osi.

Elektrometar je prilično grub instrument; ne dopušta proučavanje sila međudjelovanja između naboja. Zakon međudjelovanja stacionarnih naboja prvi je otkrio francuski fizičar C. Coulomb 1785. godine. Coulomb je u svojim pokusima mjerio sile privlačenja i odbijanja nabijenih kuglica pomoću naprave koju je sam konstruirao - torzijske vage (sl. 1.1.2). ), koji se odlikovao izuzetno visokom osjetljivošću. Na primjer, vaga se zarotirala za 1° pod utjecajem sile reda veličine 10 –9 N.

Ideja o mjerenjima temeljila se na Coulombovoj briljantnoj pretpostavci da ako se nabijena kuglica dovede u kontakt s potpuno istom nenabijenom, tada će se naboj prve ravnomjerno podijeliti između njih. Tako je naznačen način da se naboj lopte promijeni dva, tri itd. puta. U Coulombovim pokusima mjerena je interakcija između kuglica čije su dimenzije bile mnogo manje od udaljenosti između njih. Takva se nabijena tijela obično nazivaju točkasti naboji.

Točkasti naboj je nabijeno tijelo čije se dimenzije u uvjetima ovog zadatka mogu zanemariti.

Tu su i: linearni naboj t(tau)=dq/dl, l-duljina, dq-naboj niti

Površinski naboj: σ =dq/ds s-površina (ćelija/m 2)

Volumen naboj p(ro)=dq/dv (ćelija/m3)

Sile međudjelovanja slijede Newtonov treći zakon: to su odbojne sile s istim predznakom naboja i privlačne sile s različitim predznakom (slika 1.1.3). Međudjelovanje stacionarnih električnih naboja naziva se elektrostatski ili Coulomb interakcija. Grana elektrodinamike koja proučava Coulombovu interakciju naziva se elektrostatika .

Za točkasta nabijena tijela vrijedi Coulombov zakon. U praksi, Coulombov zakon je dobro zadovoljen ako su veličine nabijenih tijela mnogo manje od udaljenosti između njih.

Faktor proporcionalnosti k u Coulombovom zakonu ovisi o izboru sustava jedinica. U međunarodnom SI sustavu jedinica naboja je privjesak(Cl).

Privjesak je naboj koji prolazi kroz poprečni presjek vodiča u 1 s pri struji od 1 A. Jedinica struje (amper) u SI je, zajedno s jedinicama za duljinu, vrijeme i masu osnovna mjerna jedinica.

Koeficijent k u SI sustavu obično se piše kao:

Iskustvo pokazuje da se sile Coulombove interakcije pokoravaju principu superpozicije.

Ako nabijeno tijelo istodobno djeluje s nekoliko nabijenih tijela, tada je rezultirajuća sila koja djeluje na dano tijelo jednaka vektorskom zbroju sila koje na to tijelo djeluju od strane svih drugih nabijenih tijela.

Načelo superpozicije temeljni je zakon prirode. Međutim, njegova uporaba zahtijeva određeni oprez kada je riječ o međudjelovanju nabijenih tijela konačnih veličina (primjerice, dvije vodljive nabijene kuglice 1 i 2). Ako se treća nabijena kuglica dovede u sustav dviju nabijenih kuglica, tada će se interakcija između 1 i 2 promijeniti zbog preraspodjela naboja.

Načelo superpozicije kaže da kada dana (fiksna) distribucija naboja na svim tijelima, sile elektrostatske interakcije između bilo koja dva tijela ne ovise o prisutnosti drugih nabijenih tijela.