電荷とその種類 電荷の物理的本質
電荷は、物体間の電磁相互作用の強さを特徴付ける物理量です。 電荷自体は存在せず、そのキャリアは物質の粒子にすぎません。
基本特性
1. 二元性: 自然界には、電荷が反発し、反対の電荷が引き付けられるように、2 つの記号の電荷があります。 この点で、条件付き電荷はプラスとマイナスに分けられます。
ガラス棒を絹や紙にこすったときの電荷をプラスといいます。
マイナス - 毛皮や羊毛にこすられた琥珀やエボナイトの棒が持つ電荷。
2. 量子化: 物理量が特定の離散値のみを取る場合、その物理量は量子化 (離散) されていると言われます。 経験によれば、あらゆる電荷は量子化されます。 整数の素電荷で構成されます。
ここで =1,2,...整数; e =1.6・1 -19 C - 素電荷。
電子は最も小さい（基本的な）負の電荷を持ち、陽子は正の電荷を持ちます。
1クーロンは、1アンペアの直流電流が導体を流れるときに、1秒間に導体の断面を通過する電荷です。
3. 電荷保存。
電荷はペアでのみ消滅および再出現することができます。 このような各ペアでは、電荷の大きさは等しく、符号が反対です。 たとえば、電子と陽電子は出会うと消滅します。 中性の g - 光子に変わり、電荷 -e と +e が消えます。 対生成と呼ばれるプロセス中、原子核の場に入射した g 光子は、電子と陽電子という一対の粒子に変わり、電荷 +e と –e が発生します。
電荷保存則:孤立系では、電荷の代数和は系内のすべての変化に対して一定のままです。
孤立した外部環境と電荷を交換しない物体のシステムです。
4. 不変性さまざまな慣性座標系に充電します。
経験上、電荷の大きさは帯電した物体の移動速度には依存しないことがわかっています。 異なる慣性レポート フレームで測定された同じ電荷は同じです。
5. 相加性: .
料金の分類。
充電する本体の大きさに応じて、料金がポイントと延長に分かれます。
· 点電荷は、この問題の条件では次元が無視できる荷電体です。
· 拡張とは、この問題の条件において無視できない寸法を持つ物体の負担です。 拡張電荷は、線形電荷、表面電荷、体積電荷に分類されます。
外部電気の影響下で平衡位置に対して移動する能力による。 フィールドでは、料金は従来、自由、拘束、および無関係に分類されます。
無料外部電気の影響下で体内を自由に移動できる電荷と呼ばれます。 田畑。
関連しているは、電気の影響下にある誘電体分子の一部である電荷と呼ばれます。 場は平衡位置から移動することしかできませんが、分子から離れることはできません。
第三者は誘電体上に存在する電荷と呼ばれますが、その分子の一部ではありません。
点電荷間の相互作用力を支配する法則は 1785 年に実験的に確立されました。 ペンダント。
クーロンの法則: 2 つの静止した点電荷間の相互作用の力は、電荷に正比例し、電荷間の距離の 2 乗に反比例し、電荷を結ぶ直線に沿って方向付けられ、それらが置かれている環境に依存します。
ここで、q 1、q 2 - 電荷値。 r は電荷間の距離です。
8.85 1 -12 C 2 / (N m 2) - 電気定数、
e は媒体の誘電率です。
物質の誘電率は、特定の誘電体における電荷間の相互作用の力が真空（真空 = 1）よりも何倍小さいかを示します。これは無次元量です。
誘電体に囲まれた帯電したボールを考えて、この弱さの理由を説明しましょう。 ボールの磁場によって誘電体の分子が配向され、ボールに隣接する誘電体の表面に負の束縛電荷が現れます。
誘電体の任意の点の場は、2 つの逆に帯電した球体、つまり正に帯電したボールの表面と、それに隣接する負に帯電した誘電体の表面によって生成されますが、束縛された電荷の場はボールの場から差し引かれます。無料の場合、フィールド全体は 1 つのボールのフィールドよりも弱くなります。
1. 静電界の強さ。 電場の重ね合わせの原理。 ベクトルの流れ。
あらゆる電荷は周囲の空間の特性を変化させ、その中に電場を生成します。
電場は、電荷を取り囲む物質の存在形態の 1 つです。 この場は、任意の点に置かれた電荷が力の影響下にあるという事実として現れます。
電場の概念は、19 世紀の 30 年代に英国の科学者マイケル ファラデーによって科学に導入されました。
ファラデーによれば、すべての電荷はそれが作り出す電場に囲まれているため、そのような電荷はソース電荷と呼ばれることもあります。 ソース電荷フィールドを研究するための電荷はテスト電荷と呼ばれます。
試験電荷に作用する力が所定の点における場の特徴を明らかにするために。 テスト料金はポイント料金である必要があります。
ポイントチャージ帯電体と呼ばれるもので、その寸法はこの問題の条件では無視できます。 その寸法は、相互作用する他の物体までの距離に比べて小さい。 この場合、テスト電荷自体の電場は、ソース電荷の電場を変化させないほど小さくなければなりません。 帯電体のサイズが小さく、ソース電荷の場と比較してそれ自体の場が弱いほど、この帯電体はテスト充電条件をより正確に満たします。
電場は真空中を c = 3・1 8 の速度で伝播します。
静止電荷の場は静電です。
テスト電荷を使用して、固定電荷によって生成される場、つまりソースを調査します。
フィールド内の特定の点で試験装薬に作用する力は、試験装薬のサイズによって異なります。 異なる試験薬を使用すると、フィールド内の特定の点で試験薬に作用する力も異なります。
ただし、力と試験電荷の大きさの比は一定のままであり、場自体を特徴付けます。 この比率は、特定の点での電界強度と呼ばれます。
電界強度は、磁場が磁場の所定の点で単位正試験電荷に作用する力に数値的に等しく、この力と同方向のベクトル量です。
強度は場の主な特徴であり、大きさと方向の各点での場の特徴を完全に表します。
ポイントチャージの場の強さ。
クーロンの法則によると
= 
は、この電荷から距離 r にある点電荷の電界強度です。
いわゆる力線または張力線の図を使用して電場をグラフで表すと便利です。
緊張のラインは、各点における接線の方向がその点における張力ベクトルと一致する線です。
静止電荷によって作成される電界強度線は、常に電荷 (または無限大) で始まり、終わり、閉じることはありません。 より強い磁場は、より密な間隔の張力線によって表されます。 線の密度は、線に垂直に敷地の単位表面を貫く線の数がベクトルの数値と等しくなるように選択される。 緊張線は決して交わらないから… それらの交差は、同じ点における電界強度ベクトルの 2 つの異なる方向を意味することになりますが、これは意味がありません。
すべての点の強度が同じ大きさで同じ方向である場は、均一と呼ばれます。 このような場では、力線は平行であり、その密度はどこでも同じです。 それらは互いに同じ距離に位置しています。
重ね合わせの原理。
特定の点の電界が複数の電荷によって生成される場合、結果として生じる電界の強度は、各電荷によって個別に生成される電界強度のベクトル和に等しくなります。
重ね合わせの原理は、非常に強い磁場まで有効な実験的事実です。 同じ法則に従って、静的な電磁場だけでなく、急速に変化する電磁場も形成されます。
ベクトル場で、表面 S によって制限される特定の体積を選択しましょう。この表面をサイズの基本領域に分割しましょう。 .
有向曲面要素を考慮に入れることができます。 面の有向要素は、長さが要素の面積に等しいベクトルであり、方向はこの要素の法線の方向と一致します。 閉じたサーフェスの場合は、サーフェスの外側法線が取得されます。 方向の選択は任意 (条件付き) であるため、サイトから 1 つの方向に向けることも、もう一方の方向に向けることもできます。これは真のベクトルではなく、疑似ベクトルです。
指向性表面要素、
初歩的な表面。
初等曲面を通る張力ベクトルの流れ dsスカラー積と呼ばれる
ここで、 a はベクトルと の間の角度です。
E n - 法線方向への投影。
表面 S が分割されたすべての基本領域を通る流れを合計すると、表面 S を通るベクトル流れが得られます。
表面 S を通るベクトルの流れは積分です
閉じた曲面の場合。
ベクトル フラックスは代数的な量です。
均一なフィールドの場合
 |
張力ベクトルの流れには、明確な幾何学的解釈を与えることができます。数値的には、指定された表面を横切る張力線の数に等しいです。
2. ベクトル磁束に関するガウスの定理と、真空中の拡張電荷の場を計算するためのその応用。
点電荷の場の強さがわかれば、重ね合わせの原理を使用して、いくつかの点電荷によって生成される場の強さを計算することができます。 ただし、延長料金の場合、重ね合わせ原理の適用は困難です。 拡張された電荷によって生成されるフィールドを計算する方法は、19 世紀初頭にドイツの科学者ガウスによって提案されました。
真空中の静電界に関するガウスの定理。
真空中の点電荷の場を考えて、表面を通る球の半径を計算してみましょう。
球の表面上の任意の点における場の強さ
私たちの周囲には電気があふれています。 しかしかつてはそうではありませんでした。 なぜなら、この言葉自体は、特定の物質を表すギリシャ語の名前「電子」、ギリシャ語で「琥珀」に由来しているからです。 彼らは彼と一緒に、手品のような興味深い実験を行いました。 人々は常に奇跡を愛してきましたが、ここでは、布でこするとすぐに、あらゆる種類の塵、絨毛、糸、髪の毛が琥珀に引き寄せられ始めました。 つまり、この金色の石には小さな「取っ手」がありませんが、綿毛を拾うことができます。
連絡中
クラスメイト
電気の蓄えとその知識
琥珀のビーズや琥珀のヘアクリップなど、琥珀で作られた工芸品を身に着けたときにも、目に見える電気の蓄積が発生しました。 それ以外の説明はありません 明らかな魔法、そんなはずはない。 結局のところ、このトリックを成功させるには、清潔で乾いた手だけを使い、清潔な服を着て座りながらビーズを選別する必要がありました。 そして、きれいな髪をヘアピンでよくこすると、美しくも恐ろしいもの、つまり突き出た髪の輪が生まれます。 そしてパチパチ音も。 そして暗闇でもフラッシュがあります。 これは、要求が厳しく、気まぐれで、恐ろしく理解できない霊の行動です。 しかし時代は到来し、電気現象は精神の領域ではなくなりました。
彼らはあらゆるものを単に「インタラクション」と呼び始めました。 そこで実験を始めました。 彼らはこのための特別な機械（電気泳動装置）と電気を蓄えるための瓶（ライデン瓶）を考案しました。 そして、電気に関連してすでに「等しい以上少ない」ことを示すことができるデバイス（検電鏡）。 残っているのはすべてを説明することだけですますます強力になる数式言語の助けを借りて。
したがって、人類は自然界に特定の電荷の存在を認識する必要性を思いつきました。 実はタイトルには何の発見もありません。 現象に関わる電気的手段 その研究は琥珀の魔法から始まりました。 「電荷」という言葉は、砲弾のような物体に埋め込まれた漠然とした可能性についてのみ語ります。 電気が何らかの形で生成され、何らかの形で蓄えられることは明らかです。 そして何らかの方法でそれを測定する必要があります。 通常の物質、例えば油と同じです。
そして、物質との類推により、その最小の粒子（原子）が自信を持って語られました。 デモクリトスの時代からそして、電荷は確かに同様の非常に小さな「微粒子」、つまり物体で構成されているに違いないと判断しました。 大きな帯電体にあるその数が帯電量となります。
電荷 - 電荷保存則
もちろん当時は、たとえ非常に小さな帯電した物体の中にそのような電気「微粒子」がどれだけ発生するのか、およそ想像することさえできませんでした。 しかし、実用的な電荷の単位は依然として必要でした。 そして彼らはそれを発明し始めました。 後にそのような単位に名前が付けられたこのペンダントは、明らかに彼が実験を行った金属球を使用して電荷の大きさを測定しましたが、どういうわけか相対的でした。 私のものを開けました 有名なクーロンの法則その中で彼は、距離 R だけ離れた 2 つの電荷 q1 と q2 の間に働く力は、それらの積に比例し、それらの間の距離の 2 乗に反比例すると代数的に書きました。
係数 k相互作用が起こる媒体に依存しますが、真空ではそれは単一に等しいです。
おそらく、ケプラーとニュートンの後では、そのようなことを行うことはそれほど難しいことではなくなりました。 距離が測りやすい。 彼はボールとボールをタッチしながら、物理的に攻撃を分割した。 2 つの同一のボールで、一方が帯電し、もう一方が帯電していない場合、接触すると電荷が半分に分割され、両方のボールに分散することがわかりました。 したがって、彼は元の未知の量 q の小数値を受け取りました。
勉強する 電荷の相互作用彼はボール間のさまざまな距離で測定を行い、帯電したボールが互いに反発するときに得られるねじれバランスの偏差を記録しました。 明らかに、クーロン自身は電荷の測定単位「クーロン」を知らず、単にそれを知ることができなかったため、彼の法則は代数学にとって純粋な勝利でした。
もう一つの勝利は、このようにしてチャージすることができたボールの同じ量qの総量が常に変化しないという事実の発見でした。 それが、彼が公開法を電荷保存の法則と呼んだ理由です。
Q = q 1 + q 2 + q 3 + … + q n
私たちは、科学者の正確さと忍耐力、そして彼が研究した量の単位を持たずに法則を宣言した勇気に敬意を表しなければなりません。
電気の粒子 - 最小電荷
彼らが、基本的な、つまり最小の電荷が…電子であることに気づいたのは、さらに後になってからでした。 琥珀の小片ではなく、（ほとんど）物質ですらないが、あらゆる物質体の中に必ず存在する、言葉では言い表せないほど小さな粒子です。 そしてさらに あらゆる物質のあらゆる原子に。 そして原子の中だけではなく、その周囲でも同様です。 それらの：
- 原子内に存在するものは束縛電子と呼ばれます。
- そしてその周りにあるものは自由電子です。
原子核には電荷の粒子である陽子も含まれているため、電子は原子内で結合されており、各陽子は確実に電子を自分自身に引き寄せます。 まさにクーロンの法則に従っています。
そして、あなたが見たり感じたりできる電荷は、次の結果として生じます。
- 摩擦、
- 貯蓄、蓄積
- 化学反応、
- 電磁誘導、
さまざまな誤解により原子から放出された自由電子のみで構成されています。
- 他の原子の衝突による影響（熱放出）
- 光の量子（光電子放出）およびその他の理由
そして巨大な巨視的な物体（例えば髪の毛）の内部をさまよいます。
電子の場合、私たちの物体は本当に巨大です。 1 つの電荷単位 (クーロン) には、ほぼこの量の電子が含まれます: 624,150,912,514,351,000 を少し超える量です。 これは次のように聞こえます: 1 クーロンの電荷には 624 京 150 兆 9120 億 5 億 1400 万 351 千の電子があります。
そして、ペンダントは非常にシンプルな量であり、私たちに近いものです。 クーロンは同じ電荷です 電流が 1 アンペアの力を持つ場合、導体の断面を 1 秒間に流れます。。 つまり、1 アンペアでは、毎秒、この 624 京個の電子がワイヤの断面で点滅します。
電子は非常に機動性があり、物理体内で非常に速く移動するため、スイッチを押すとすぐに電球が点灯します。 そしてそれが、私たちの電気的相互作用が非常に速く、「再結合」と呼ばれるイベントが毎秒発生する理由です。 逃げた電子は、電子が逃げたばかりの原子を見つけて、その中の自由空間を占めます。
1 秒あたりのそのようなイベントの数も...まあ、これは誰もがすでに想像しています。 そして、電子が原子を出て原子に戻ると、これらの現象が継続的に繰り返されます。 彼らは逃げては戻ってくる。 これが彼らの人生であり、それなしでは彼らは存在できません。 そしてこのおかげでのみ、電気が存在し、そのシステムは私たちの生活、快適さ、栄養と保存の一部となっています。
現在の方向。 私たちの担当は誰ですか？
残っているのは、誰もが知っている小さな好奇心だけですが、物理学者は誰も正そうとしません。
クーロンがボールを使っていたずらをしたとき、彼らは 2 種類のチャージがあることに気づきました。 そして、同じ種類の電荷同士は反発し、異なる種類の電荷同士は引き付け合う。 それらのいくつかに名前を付けるのは自然なことだった ポジティブなものとネガティブなもの。 そして、電流が多いところから少ないところへ流れるとします。 つまりプラスからマイナスへ。 そのため、それは何世代にもわたって物理学者の心に残りました。
しかし、最初に発見されたのは電子ではなくイオンでした。 これらはまさに電子を失った慰められない原子です。 原子核には「余分な」陽子があり、したがってそれらは荷電されています。 さて、彼らがこれを発見したとき、彼らはすぐにため息をつき、こう言いました - ほら、あなたは私たちの正電荷です。 そして陽子は正に荷電した粒子という評判を得ました。
そして彼らは、原子核の電荷は原子核の周りを回転する電子殻の電荷によって平衡しているため、原子はほとんどの場合中性であることに気づきました。 つまり、彼らは原子の惑星モデルを構築したのです。 そしてそのとき初めて、彼らは原子がすべての（ほぼ）物質、その固体結晶格子、またはその液体体の質量全体を構成していることを理解しました。 つまり、中性子を伴う陽子は原子核の中にしっかりと座っています。 そして、光や動きのある電子のように、あなたの思いのままではありません。 したがって、電流はプラスからマイナスに流れるのではなく、逆にマイナスからプラスに流れます。
電気という言葉はギリシャ語の琥珀に由来します。 ελεκτρον
.
琥珀は針葉樹の樹脂が化石化したものです。 古代人は、琥珀を布でこすると、軽い物体や塵が引き寄せられることに気づきました。 私たちが今日静電気と呼んでいるこの現象は、エボナイトやガラスの棒、または単にプラスチックの定規を布でこすることによって観察できます。
紙ナプキンで徹底的にこすったプラスチックの定規は、小さな紙片を引き寄せます(図22.1)。 髪をとかしたり、ナイロン製のブラウスやシャツを脱いだりするときに静電気が発生するのを見たことがあるかもしれません。 車のシートから立ち上がったり、合成カーペットの上を歩いたりした後、金属製のドアハンドルに触れて感電したことがあるかもしれません。 これらすべての場合において、物体は摩擦によって電荷を獲得します。 彼らは、帯電は摩擦によって起こると言います。
電気料金はすべて同じですか、それとも異なる種類がありますか? 電荷には 2 種類あることが分かり、これは次の簡単な実験で証明できます。 プラスチック製の定規を糸の中央に掛け、布で徹底的にこすります。 ここで、別の帯電した定規をそこに持ってくると、定規が互いに反発し合うことがわかります (図 22.2、a)。
同様に、帯電した別のガラス棒を 1 つに近づけて、その反発を観察します (図 22.2,6)。 帯電したガラス棒を帯電したプラスチック定規に近づけると、それらは引き付けられます (図 22.2、c)。 定規はガラス棒とは異なる種類の電荷を持っているようです。
すべての帯電物体は 2 つのカテゴリに分類されることが実験的に確立されています。プラスチックに引き付けられてガラスに反発するか、逆にプラスチックに反発してガラスに引き付けられるかのいずれかです。 電荷には 2 種類あるようです。同じ種類の電荷は反発し、異なる種類の電荷は引き付けられます。 似た電荷は反発し、異なる電荷は引き合うと言います。
アメリカの政治家、哲学者、科学者ベンジャミン フランクリン (1706-1790) は、これら 2 種類の電荷をプラスとマイナスと呼びました。 どの料金で通話するかによってまったく違いはありません。
フランクリンは、帯電したガラス棒の電荷はプラスであると考えることを提案しました。 この場合、プラスチック定規（または琥珀）に現れる電荷はマイナスになります。 この合意は現在でも遵守されています。
フランクリンの電気理論は、事実上「一流体」の概念でした。正の電荷は、所定の物体の通常の含有量を超える「電気流体」の過剰とみなされ、負の電荷はその不足と見なされていました。 フランクリンは、何らかの過程の結果として、ある物体に特定の電荷が生じると、同じ量の反対の種類の電荷が別の物体にも同時に生じると主張した。 したがって、「正」と「負」という名前は代数的な意味で理解されるべきであり、その結果、あらゆる過程で物体が獲得する総電荷は常にゼロに等しくなります。
たとえば、プラスチックの定規を紙ナプキンでこすると、定規はマイナスの電荷を帯び、ナプキンは同じプラスの電荷を帯びます。 電荷の分離はありますが、それらの合計はゼロです。
この例は、しっかりと確立された 電荷保存則、次のようになります。
あらゆるプロセスから生じる総電荷はゼロです。
この法則からの逸脱はこれまで観察されたことがないため、エネルギー保存則や運動量保存則と同様にしっかりと確立されていると考えることができます。
原子内の電荷
電荷の存在理由が原子自体にあることが明らかになったのは、ほんの前世紀に入ってからです。 後で、原子の構造とそれに関するアイデアの展開について詳しく説明します。 ここでは、電気の性質をより深く理解するのに役立つ主な考え方について簡単に説明します。
現代の概念によれば、原子（やや単純化されています）は、1 つ以上の負に帯電した電子に囲まれた重い正に帯電した原子核で構成されます。
通常の状態では、原子内のプラスとマイナスの電荷の大きさは等しく、原子全体は電気的に中性です。 ただし、原子は 1 つまたは複数の電子を失ったり獲得したりすることがあります。 そのとき、その電荷はプラスまたはマイナスになり、そのような原子はイオンと呼ばれます。
固体では、原子核は振動してほぼ固定位置に留まることができますが、一部の電子は完全に自由に動きます。 摩擦による帯電は、異なる物質では原子核が異なる強度の電子を保持するという事実によって説明できます。
紙ナプキンでこすられたプラスチックの定規がマイナスの電荷を帯びると、これは紙ナプキン内の電子がプラスチック内よりもしっかりと保持されておらず、電子の一部がナプキンから定規に移動することを意味します。 ナプキンの正の電荷は、定規によって得られる負の電荷と大きさが等しい。
通常、摩擦によって帯電した物体はしばらくの間だけ電荷を保持し、最終的には電気的に中性の状態に戻ります。 料金はどこへ行くのですか? 空気中に含まれる水分子に「排出」されます。
実際のところ、水分子は極性を持っています。一般に水分子は電気的に中性ですが、その中の電荷は均一に分布していません(図22.3)。 したがって、帯電した定規からの過剰な電子は空気中に「排出」され、水分子の正に帯電した領域に引き寄せられます。
一方、物体の正電荷は、空気中の水分子が弱く保持している電子によって中和されます。 乾燥した天候では、静電気の影響がより顕著になります。空気中の水分子が少なくなり、電荷がすぐに流れなくなります。 湿気の多い雨天では、アイテムは長時間充電を維持できません。
絶縁体と導体
2 つの金属球があり、1 つは高度に帯電し、もう 1 つは電気的に中性であるとします。 たとえば鉄の釘でそれらを接続すると、帯電していないボールはすぐに帯電します。 両方のボールを木の棒やゴムで同時に触れると、帯電していないボールは帯電しないままになります。 鉄のような物質は電気の導体と呼ばれます。 木材やゴムは不導体または絶縁体と呼ばれます。
金属は一般に良導体です。 他のほとんどの物質は絶縁体です（ただし、絶縁体はわずかに電気を通します）。 興味深いことに、ほとんどすべての天然素材は、これら 2 つのまったく異なるカテゴリのいずれかに分類されます。
しかしながら、中間の（しかし明確に区別された）カテゴリーに属する物質（その中にはシリコン、ゲルマニウム、炭素を挙げる必要がある）もある。 それらは半導体と呼ばれます。
原子理論の観点から見ると、絶縁体の電子は原子核に非常に強く結合しているのに対し、導体の多くの電子は非常に弱く結合しており、物質内を自由に移動できます。
正に帯電した物体を導体に近づけたり、接触させたりすると、自由電子がすぐに正電荷に向かって移動します。 物体がマイナスに帯電している場合、電子は逆に物体から遠ざかろうとします。 半導体には自由電子はほとんどなく、絶縁体には自由電子はほとんど存在しません。
誘導充電。 検電器
プラスに帯電した金属物体を別の（中性）金属物体に近づけてみましょう。
接触すると、中性の物体の自由電子が正に帯電した物体に引き寄せられ、その一部がそこに移動します。 2 番目の物体には一定数の負に帯電した電子が不足しているため、正の電荷を獲得します。 このプロセスは、電気伝導性による帯電と呼ばれます。
ここで、正に帯電した物体を中性の金属棒に近づけてみましょう。ただし接触しないようにします。 電子は金属棒から離れることはありませんが、それでも帯電した物体に向かって移動します。 正の電荷がロッドの反対側の端に発生します (図 22.4)。 この場合、金属棒の端に電荷が誘起される（誘起される）と言われます。 もちろん、新たな電荷は発生しません。電荷は単に分離されただけですが、全体としてロッドは電気的に中性のままでした。 しかし、ここで棒を真ん中で十字に切ると、2 つの帯電した物体が得られます。1 つはマイナスの電荷を持ち、もう 1 つはプラスの電荷を持ちます。
また、図に示すように、金属物体をワイヤで地面 (または、たとえば、地中に入る水道管) に接続することによって、金属物体に電荷を与えることもできます。 22.5、a. 被験者は接地されていると言われます。 地球はその巨大な大きさにより、電子を受け入れたり、電子を放出したりします。 それは電荷リザーバーとして機能します。 たとえばマイナスに帯電した物体を金属に近づけると、金属の自由電子は反発され、多くは電線に沿って地面に流れ込みます(図22.5、6)。 金属はプラスに帯電します。 ここでワイヤーを外すと、金属にはプラスの誘導電荷が残ります。 しかし、マイナスに帯電した物体を金属から取り除いた後にこれを行うと、すべての電子が戻ってくる時間があり、金属は電気的に中性のままになります。
電荷を検出するには、検電器 (または単純な電位計) が使用されます。
図からわかるように。 22.6 では、それは本体で構成され、その内部には、多くの場合金で作られた 2 つの可動葉があります。 (場合によっては、1 枚のリーフだけが可動になることもあります。) リーフは金属棒に取り付けられており、この棒は本体から絶縁されており、外側の端には金属ボールが付いています。 帯電した物体をボールに近づけると、ロッド内で電荷の分離が発生し(図22.7、a)、図に示すように、葉も同様に帯電して互いに反発することがわかります。
導電性によりロッドを完全に充電できます (図 22.7、b)。 いずれの場合も、電荷が大きくなるほど、葉はより多く分岐します。
ただし、この方法では電荷の符号を決定できないことに注意してください。負の電荷は、等しい正の電荷とまったく同じ距離で葉を分離します。 それでも、電荷の符号を決定するために検電器を使用することができます。そのためには、まずロッドに、たとえば負の電荷を与える必要があります (図 22.8、a)。 ここで、マイナスに帯電した物体を検電器のボールに持ってくると (図 22.8、6)、追加の電子が葉に移動し、葉はさらに離れます。 逆に、ボールに正の電荷がもたらされると、負の電荷が減少するため、電子は葉から遠ざかり、葉に近づきます(図22.8、c)。
検電器は電気工学の黎明期に広く使用されました。 非常に高感度な最新の電位計は、電子回路を使用する場合と同じ原理で動作します。
この出版物は、D. Giancoli の本の資料に基づいています。 『全2巻の物理学』1984年第2巻。
つづく。 以下の出版物について簡単に説明します。
力 F、ある帯電した物体が別の帯電した物体に作用するとき、それらの電荷の積に比例します。 Q 1と Q 2 であり、距離の 2 乗に反比例します。 rそれらの間の。
コメントや提案は歓迎です。
電気工学の要約
完成者: アガフォノフ・ロマン
ルガ農業産業大学
すべての点で満足できる料金の簡単な定義を与えることは不可能です。 私たちは、原子、液晶、速度による分子の分布など、非常に複雑な構造やプロセスについて、わかりやすい説明を見つけることに慣れています。 しかし、最も基本的で基本的な概念は、より単純な概念に分割することができず、今日の科学によれば、内部メカニズムがまったく存在せず、もはや満足のいく方法で簡単に説明することはできません。 特に、物体が私たちの感覚によって直接認識されない場合はそうです。 電荷とはこれらの基本的な概念を指します。
まず、電荷とは何かではなく、「この物体または粒子は電荷を持っている」という記述の背後に何が隠されているかを調べてみましょう。
すべての物体は小さな粒子から構成されており、より単純な (現在科学が知る限り) 粒子に分割することはできないため、これらの粒子は素粒子と呼ばれます。 すべての素粒子には質量があり、そのため互いに引き付けられます。 万有引力の法則によれば、引力は、それらの間の距離が増加するにつれて、距離の二乗に反比例して比較的ゆっくりと減少します。 さらに、すべてではありませんが、ほとんどの素粒子は、距離の二乗に反比例して減少する力で互いに相互作用する能力を持っていますが、この力は重力よりも膨大な数倍大きくなります。 。 したがって、図 1 に概略的に示されている水素原子では、電子は重力の 1039 倍の力で原子核 (陽子) に引き寄せられます。
粒子が距離の増加とともにゆっくりと減少し、重力よりも何倍も大きい力で相互作用する場合、これらの粒子は電荷を持っていると言われます。 粒子自体は荷電したものと呼ばれます。 電荷を持たない粒子は存在しますが、粒子がなければ電荷は存在しません。
荷電粒子間の相互作用は電磁気と呼ばれます。 電子と陽子が帯電していると言うとき、これは、電子と陽子が特定の種類 (電磁) の相互作用を行うことができるが、それ以上の相互作用はできないことを意味します。 粒子に電荷がないということは、そのような相互作用が検出されないことを意味します。 質量が重力相互作用の強度を決定するのと同じように、電荷は電磁相互作用の強度を決定します。 電荷は素粒子の 2 番目に (質量に次ぐ) 重要な特性であり、周囲の世界での素粒子の振る舞いを決定します。
したがって
電荷は、電磁力相互作用に入る粒子または物体の特性を特徴付ける物理的なスカラー量です。
電荷は q または Q という文字で表されます。
力学で物質点の概念がよく使用され、これにより多くの問題の解決が大幅に簡素化されるのと同様に、電荷の相互作用を研究する場合にも点電荷の概念が効果的です。 点電荷は、その寸法がこの物体から観察点および他の荷電物体までの距離よりも大幅に小さい荷電物体です。 特に、彼らが 2 つの点電荷の相互作用について話す場合、検討中の 2 つの荷電物体間の距離はそれらの線形寸法よりも大幅に大きいと仮定します。
素粒子の電荷は、素粒子から取り除かれ、構成要素に分解され、再組み立てされるような、粒子内の特別な「メカニズム」ではありません。 電子および他の粒子上の電荷の存在は、それらの間に特定の相互作用が存在することを意味するだけです。
自然界には、反対の符号の電荷を持つ粒子が存在します。 陽子の電荷をプラス、電子の電荷をマイナスといいます。 もちろん、粒子の電荷がプラスであるからといって、特別な利点があるというわけではありません。 2 つの符号の電荷の導入は、荷電粒子が引き付けることも反発することもできるという事実を単純に表しています。 電荷符号が同じである場合、粒子は反発し、電荷符号が異なる場合、粒子は引き付けられます。
2 種類の電荷が存在する理由については、現時点では説明されていません。 いずれにせよ、正電荷と負電荷の間には基本的な違いは見られません。 粒子の電荷の符号が反対に変化したとしても、自然界の電磁相互作用の性質は変化しません。
宇宙ではプラスとマイナスの電荷が非常にバランスよく保たれています。 そして、宇宙が有限であれば、その総電荷はおそらくゼロに等しいでしょう。
最も注目すべきことは、すべての素粒子の電荷の大きさが厳密に同じであることです。 すべての荷電した素粒子が持つ、基本と呼ばれる最小電荷があります。 電荷は陽子のような正の場合もあれば、電子のような負の場合もありますが、電荷係数はすべての場合で同じです。
たとえば電子から電荷の一部を分離することは不可能です。 おそらくこれが最も驚くべきことです。 現代の理論では、すべての粒子の電荷が同じである理由を説明できず、最小電荷の値を計算することもできません。 これは、さまざまな実験を使用して実験的に決定されます。
1960 年代、新たに発見された素粒子の数が驚くほど増え始めた後、強く相互作用する粒子はすべて複合粒子であるという仮説が立てられました。 より基本的な粒子はクォークと呼ばれました。 印象的だったのは、クォークは素数電荷の 1/3 と 2/3 という分数電荷を持つはずだということです。 陽子と中性子を作るには、2 種類のクォークがあれば十分です。 そして、その最大数は明らかに6を超えません。
電荷の漏洩は避けられないため、長さの標準であるメートルと同様に、電荷の単位の巨視的な標準を作成することは不可能です。 電子の電荷を 1 つとみなすのは自然でしょう (これは現在、原子物理学で行われています)。 しかし、クーロンの時代には、自然界に電子が存在することはまだ知られていませんでした。 また、電子の電荷は小さすぎるため、基準として使用することが困難です。
国際単位系 (SI) では、電荷の単位であるクーロンは、電流の単位を使用して確立されます。
1 クーロン (C) は、1 A の電流で 1 秒間に導体の断面を通過する電荷です。
１Ｃの電荷は非常に大きい。 1 km の距離にある 2 つのそのような電荷は、地球が 1 トンの重さの荷重を引き付ける力よりわずかに小さい力で互いに反発するため、小さな物体に 1 C の電荷を与えることは不可能です。大きさは数メートル）。 荷電粒子は互いに反発し合うため、そのような物体上に留まることができません。 このような条件下でクーロン反発力を補償できる力は、自然界には他に存在しません。 しかし、一般に中性の導体では、1 C の電荷を発生させるのは難しくありません。 実際、127 V の電圧で 100 W の電力を持つ通常の電球では、1 A よりわずかに小さい電流が確立されます。同時に、1 秒でほぼ 1 C に等しい電荷がクロスを通過します。 - 導体のセクション。
電位計は、電荷の検出と測定に使用されます。 電位計は金属棒と水平軸を中心に回転できる指針で構成されています（図2）。 矢印の付いたロッドはプレキシガラスのスリーブに固定され、ガラスのカバーで閉じられた円筒形の金属ケースに入れられます。
電位計の動作原理。 プラスに帯電した棒を電位計の棒に接触させてみましょう。 電位計の針が一定の角度だけずれていることがわかります (図 2 を参照)。 矢印の回転は、帯電した物体が電位計のロッドに接触すると、電荷が矢印とロッドに沿って分布するという事実によって説明されます。 ロッド上の同様の電荷とポインタの間に働く反発力により、ポインタが回転します。 もう一度エボナイト棒に通電して、エレクトロメーター棒にもう一度触れてみましょう。 経験上、ロッド上の電荷が増加すると、垂直位置からの矢印の偏角が増加することがわかっています。 したがって、電位計の針の振れ角によって、電位計ロッドに転送された電荷の値を判断することができます。
既知の実験事実をすべて総合すると、電荷の次の特性を強調することができます。
電荷には 2 種類あり、従来はプラスとマイナスと呼ばれてきました。 正に帯電した物体は、絹との摩擦によって帯電したガラスと同じように、他の帯電した物体に作用するものです。 ウールとの摩擦によって帯電したエボナイトと同じように機能する物体は、マイナスに帯電したと呼ばれます。 ガラス上で発生する電荷を「ポジティブ」、エボナイト上で発生する電荷を「ネガティブ」という名前の選択は完全にランダムです。
電荷は、ある物体から別の物体に（例えば、直接接触によって）移動する可能性があります。 体重とは異なり、電荷は特定の物体の不可欠な特性ではありません。 異なる条件下では、同じ物体でも異なる電荷が発生する可能性があります。
電荷は、電磁力相互作用に入る粒子または物体の特性を特徴付ける物理量です。 エルズ。 通常、文字 q または Q で表されます。既知の実験事実をすべて総合すると、次の結論を導き出すことができます。
電荷には 2 種類あり、従来はプラスとマイナスと呼ばれてきました。
電荷は、ある物体から別の物体に（例えば、直接接触によって）移動する可能性があります。 体重とは異なり、電荷は特定の物体の不可欠な特性ではありません。 異なる条件下では、同じ物体でも異なる電荷が発生する可能性があります。
電荷が反発するのと同様、電荷が引き付けるのとは異なります。 これは、電磁力と重力の根本的な違いも明らかにします。 重力は常に引力です。
自然界の基本的な法則の 1 つは、実験的に確立されたものです。 電荷保存則 .
孤立系では、すべての物体の電荷の代数和は一定のままです。
|
電荷保存の法則は、物体の閉鎖系では、1 つの記号のみの電荷の生成または消失のプロセスは観察できないと述べています。
現代の観点から見ると、電荷キャリアは素粒子です。 すべての普通の物体は、正に帯電した陽子、負に帯電した電子、および中性粒子である中性子を含む原子で構成されています。 陽子と中性子は原子核の一部であり、電子は原子の電子殻を形成します。 陽子と電子の電荷は大きさがまったく同じで、素電荷に等しい e.
中性原子では、原子核内の陽子の数は殻内の電子の数と等しくなります。 この番号はと呼ばれます 原子番号 。 特定の物質の原子は、1 つ以上の電子を失うか、余分な電子を獲得することがあります。 このような場合、中性原子は正または負に帯電したイオンに変わります。
電荷は、整数の素電荷を含む部分でのみ、ある物体から別の物体に移動できます。 したがって、体の電荷は、 離散量:
離散的な一連の値のみを取ることができる物理量はと呼ばれます 量子化された 。 初級料金 eは電荷の量子（最小部分）です。 現代の素粒子物理学では、分数電荷を持つ粒子、いわゆるクォークの存在が想定されていることに注意してください。ただし、クォークは自由な状態ではまだ観察されていません。
一般的な実験室での実験では、 電位計 - 金属棒と水平軸の周りを回転できるポインターで構成されるデバイス。
電位計はかなり粗雑な機器です。 電荷間の相互作用の力を研究することはできません。 静止電荷の相互作用の法則は、1785 年にフランスの物理学者 C. クーロンによって初めて発見されました。彼の実験では、クーロンは、彼が設計した装置であるねじりバランスを使用して、帯電したボールの引力と反発力を測定しました (図 1.1.2)。 ）、非常に高い感度が特徴です。 たとえば、平均台は 10 -9 N 程度の力の影響で 1° 回転しました。
測定のアイデアは、帯電したボールがまったく同じ帯電していないボールに接触すると、最初のボールの電荷はそれらの間で均等に分割されるというクーロンの素晴らしい推測に基づいていました。 したがって、ボールの電荷を 2 倍、3 倍などに変更する方法が示されました。 クーロンの実験では、ボール間の距離よりもはるかに小さい寸法のボール間の相互作用が測定されました。 このような帯電した物体は通常、 ポイントチャージ.
点電荷は、この問題の条件では次元を無視できる荷電体です。
もあります：線形電荷 t(tau)=dq/dl、l-長さ、糸の dq-電荷
表面電荷: σ =dq/ds s-表面積 (セル/m 2)
体積電荷 p(ro)=dq/dv (セル/m3)
相互作用力はニュートンの第 3 法則に従います。つまり、相互作用力は同じ符号の電荷を持つ斥力と、異なる符号を持つ引力です (図 1.1.3)。 固定電荷の相互作用は次のように呼ばれます。 静電気 または クーロン 交流。 クーロン相互作用を研究する電気力学の分野は、 静電気 .
クーロンの法則は、点荷電体に対して有効です。 実際には、荷電物体のサイズがそれらの間の距離よりもはるかに小さい場合、クーロンの法則は十分に満たされます。
比例係数 kクーロンの法則では、単位系の選択によって決まります。 国際SIシステムでは、料金の単位は次のようにみなされます。 ペンダント(Cl)。
ペンダントは、1 A の電流で 1 秒以内に導体の断面を通過する電荷です。SI における電流 (アンペア) の単位は、長さ、時間、質量の単位とともに次のとおりです。 測定の基本単位.
係数 k SI システムでは通常次のように書かれます。
経験上、クーロン相互作用力は重ね合わせの原理に従うことがわかっています。
荷電した物体が複数の荷電した物体と同時に相互作用する場合、結果的に特定の物体に作用する力は、他のすべての荷電した物体からこの物体に作用する力のベクトル和に等しくなります。
重ね合わせの原理は基本的な自然法則です。 ただし、有限サイズの帯電物体 (たとえば、2 つの導電性帯電ボール 1 と 2) の相互作用について話す場合、その使用にはある程度の注意が必要です。 3 番目の荷電ボールが 2 つの荷電ボールからなるシステムに持ち込まれた場合、1 と 2 の間の相互作用は次の理由により変化します。 電荷の再分配.
重ね合わせの原理では、次のことが述べられています。 与えられた（固定された）電荷分布すべての物体において、2 つの物体間の静電相互作用の力は、他の帯電した物体の存在に依存しません。