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Carga elétrica e seus tipos. A essência física da carga elétrica

Carga elétrica e seus tipos. A essência física da carga elétrica

A carga elétrica é uma grandeza física que caracteriza a intensidade da interação eletromagnética entre os corpos. A carga elétrica em si não existe; seu portador só pode ser uma partícula de matéria.

Propriedades básicas

1. Dualidade: na natureza existem cargas de dois sinais, como cargas se repelem, cargas opostas se atraem. Nesse sentido, os encargos condicionais são divididos em positivos e negativos.

A carga possuída por uma barra de vidro atritada contra seda ou papel é chamada de positiva.

Negativo - a carga possuída por um bastão de âmbar ou ebonite esfregado contra pele ou lã.

2. Quantização: Se uma quantidade física assume apenas certos valores discretos, ela é considerada quantizada (discreta). A experiência mostra que qualquer carga elétrica é quantizada, ou seja, consiste em um número inteiro de cargas elementares.

onde =1,2,...inteiro; e =1,6·1 -19 C - carga elementar.

O elétron tem a menor carga negativa (elementar), o próton tem a carga positiva.

1 coulomb é a carga que passa pela seção transversal de um condutor em um segundo quando uma corrente contínua de um ampere flui através do condutor.

3. Conservação de carga.

As cargas elétricas podem desaparecer e reaparecer apenas aos pares. Em cada um desses pares, as cargas são iguais em magnitude e opostas em sinais. Por exemplo, um elétron e um pósitron se aniquilam quando se encontram, ou seja, transformam-se em fótons g neutros, e as cargas –e e +e desaparecem. Durante um processo denominado produção de pares, um fóton g, entrando no campo de um núcleo atômico, se transforma em um par de partículas, um elétron e um pósitron, e surgem cargas +e e –e.

Lei da conservação da carga: em um sistema isolado, a soma algébrica das cargas permanece constante para todas as mudanças dentro do sistema.

Isoladoé um sistema de órgãos que não troca encargos com o ambiente externo.

4. Invariância carga para vários referenciais inerciais.

A experiência mostra que a magnitude da carga não depende da velocidade de movimento do corpo carregado. A mesma carga medida em diferentes referenciais inerciais é a mesma.

5. Aditividade: .

Classificação de cobranças.

Dependendo do tamanho do corpo carregado, as cargas são divididas em pontuais e estendidas.

· Uma carga pontual é um corpo carregado cujas dimensões podem ser desprezadas nas condições deste problema.

· Estendida é a carga de um corpo cujas dimensões não podem ser desprezadas nas condições deste problema. Cargas estendidas são divididas em lineares, superficiais e volumétricas.

Pela capacidade de mudar em relação à posição de equilíbrio sob a influência da eletricidade externa. campos, as cobranças são convencionalmente divididas em gratuitas, vinculadas e estranhas.

Livre são chamadas de cargas que podem se mover livremente em um corpo sob a influência da eletricidade externa. Campos.

Relacionado são chamadas de cargas que fazem parte das moléculas dielétricas, que estão sob a influência da eletricidade. os campos só podem mudar de sua posição de equilíbrio, mas não podem deixar a molécula.

Terceiro são chamadas de cargas localizadas no dielétrico, mas não fazem parte de suas moléculas.

A lei que rege a força de interação entre cargas pontuais foi estabelecida experimentalmente em 1785. Pingente.

Lei de Coulomb: a força de interação entre duas cargas pontuais estacionárias é diretamente proporcional às cargas, inversamente proporcional ao quadrado da distância entre elas, direcionada ao longo da linha reta que liga as cargas, e depende do ambiente em que estão localizadas.

onde q 1, q 2 - valores de carga; r é a distância entre as cargas;

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

e é a constante dielétrica do meio.

A constante dielétrica de uma substância mostra quantas vezes a força de interação entre as cargas em um determinado dielétrico é menor que no vácuo, vácuo = 1, é uma quantidade adimensional.

Expliquemos a razão deste enfraquecimento considerando uma bola carregada rodeada por um dielétrico. O campo da bola orienta as moléculas do dielétrico e cargas negativas aparecem na superfície do dielétrico adjacente à bola.

O campo em qualquer ponto do dielétrico será criado por duas esferas com carga oposta: a superfície da bola, carregada positivamente, e a superfície carregada negativamente do dielétrico adjacente a ela, enquanto o campo de cargas ligadas é subtraído do campo de cobranças gratuitas, e o campo total será mais fraco do que o campo de uma bola.

1. Intensidade do campo eletrostático. O princípio da superposição de campos elétricos. Fluxo vetorial.

Qualquer carga altera as propriedades do espaço circundante - cria um campo elétrico nele.

Um campo elétrico é uma das formas de existência da matéria que envolve cargas elétricas. Este campo se manifesta no fato de que uma carga elétrica colocada em qualquer ponto está sob a influência de uma força.

O conceito de campo elétrico foi introduzido na ciência na década de 30 do século XIX pelos cientistas ingleses Michael Faraday.

De acordo com Faraday, toda carga elétrica é cercada pelo campo elétrico que ela cria, então essa carga às vezes é chamada de carga fonte. A carga com a qual o campo de carga fonte é estudado é chamada de carga de teste.

Para que a força que atua sobre a carga de teste caracterize o campo em um determinado ponto; A carga de teste deve ser uma carga pontual.

Carga pontual chamado de corpo carregado, cujas dimensões podem ser desprezadas nas condições deste problema, ou seja, cujas dimensões são pequenas se comparadas às distâncias de outros corpos com os quais interage. Neste caso, o campo elétrico próprio da carga de teste deve ser tão pequeno que não altere o campo da carga fonte. Quanto menor o tamanho do corpo carregado e mais fraco seu próprio campo em comparação com o campo da carga fonte, mais precisamente esse corpo carregado satisfaz a condição de carga de teste.

O campo elétrico se propaga no vácuo com velocidade c = 3·1 8 .

O campo das cargas elétricas estacionárias é eletrostático.

Usando uma carga de teste, investigamos o campo criado por uma carga estacionária - a fonte.

A força que atua sobre a carga de teste em um determinado ponto do campo depende do tamanho da carga de teste. Se considerarmos cargas de teste diferentes, a força que atua sobre elas em um determinado ponto do campo será diferente.

No entanto, a relação entre a força e a magnitude da carga de teste permanece constante e caracteriza o próprio campo. Essa relação é chamada de intensidade do campo elétrico em um determinado ponto.

Intensidade do campo elétricoé uma grandeza vetorial numericamente igual à força com a qual o campo atua sobre uma carga de teste unitária positiva em um determinado ponto do campo e codirecional com esta força.

A força é a principal característica do campo e caracteriza completamente o campo em cada ponto em magnitude e direção.

Intensidade de campo de uma carga pontual.

De acordo com a lei de Coulomb

é a intensidade do campo elétrico de uma carga pontual a uma distância r dessa carga.

É conveniente representar graficamente o campo elétrico usando uma imagem das chamadas linhas de força ou linhas de tensão.

Linha de tensãoé uma reta cuja tangente em cada ponto coincide na direção com o vetor tensão naquele ponto.

As linhas de intensidade de campo criadas por cargas estacionárias sempre começam e terminam nas cargas (ou no infinito) e nunca são fechadas. Um campo mais forte é representado por linhas de tensão mais densamente espaçadas. A densidade das linhas é escolhida de modo que o número de linhas que perfuram uma superfície unitária do local perpendicular às linhas seja igual ao valor numérico do vetor. Linhas de tensão nunca se cruzam, porque... sua interseção significaria duas direções diferentes do vetor de intensidade de campo no mesmo ponto, o que não faz sentido.

Um campo no qual a intensidade em todos os pontos tem a mesma magnitude e a mesma direção é denominado homogêneo. Nesse campo, as linhas de força são paralelas e sua densidade é a mesma em todos os lugares, ou seja, eles estão localizados à mesma distância um do outro.

Princípio da superposição.

Se o campo elétrico em um determinado ponto é criado por várias cargas, então a intensidade do campo resultante é igual à soma vetorial das intensidades dos campos criados por cada carga separadamente.

O princípio da superposição é um fato experimental válido para campos muito fortes. De acordo com a mesma lei, não apenas campos eletromagnéticos estáticos, mas também campos eletromagnéticos que mudam rapidamente são formados

Selecionemos no campo vetorial um certo volume limitado pela superfície S. Dividamos esta superfície em áreas elementares de tamanho .

Um elemento de superfície direcionado pode ser levado em consideração. Um elemento direcionado de uma superfície é um vetor cujo comprimento é igual à área do elemento, e a direção coincide com a direção da normal a este elemento. Para uma superfície fechada, a normal externa à superfície é considerada. Como a escolha da direção é arbitrária (condicional), ela pode ser direcionada tanto em uma direção do local quanto na outra; não é um vetor verdadeiro, mas um pseudovetor.

Elemento de superfície direcional,

Superfície elementar.

O fluxo do vetor de tensão através de uma superfície elementar dS chamado de produto escalar

onde a é o ângulo entre os vetores e ,

E n - projeção na direção normal.

Somando os fluxos através de todas as áreas elementares em que a superfície S foi dividida, obtemos o fluxo vetorial através da superfície S.

O fluxo de um vetor através da superfície S é a integral

Para uma superfície fechada.

O fluxo vetorial é uma quantidade algébrica:

Para um campo uniforme

O fluxo do vetor de tensão pode receber uma interpretação geométrica clara: é numericamente igual ao número de linhas de tensão que cruzam uma determinada superfície.

2. Teorema de Gauss para fluxo vetorial e sua aplicação para calcular os campos de cargas estendidas no vácuo.

Conhecendo a intensidade do campo de uma carga pontual e utilizando o princípio da superposição, é possível calcular a intensidade do campo criado por várias cargas pontuais. Contudo, para tarifas estendidas, a aplicação do princípio da superposição é difícil. Um método para calcular campos criados por cargas estendidas foi proposto pelo cientista alemão Gauss no início do século XIX.

Teorema de Gauss para o campo eletrostático no vácuo.

Vamos considerar o campo de uma carga pontual no vácuo e calcular o raio da esfera através da superfície

Intensidade do campo em qualquer ponto da superfície da esfera

A eletricidade nos rodeia por todos os lados. Mas era uma vez esse não era o caso. Porque a própria palavra vem do nome grego para um material específico: “elétron”, em grego, “âmbar”. Eles conduziram experimentos interessantes com ele, semelhantes a truques de mágica. As pessoas sempre adoraram milagres, mas aqui todo tipo de poeira, vilosidades, fios, cabelos começaram a ser atraídos por um pedaço de âmbar, assim que era esfregado com um pedaço de pano. Ou seja, esta pedra dourada não possui pequenas “alças”, mas pode pegar penugens.

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Acúmulo de eletricidade e conhecimento sobre ela

O acúmulo visível de eletricidade também ocorreu quando eles colocaram artesanato feito de âmbar: contas de âmbar, grampos de cabelo de âmbar. Não há outras explicações além magia óbvia, não poderia haver nenhum. Afinal, para que o truque desse certo, era necessário separar as contas exclusivamente com as mãos limpas e secas e sentado com roupas limpas. E o cabelo limpo, bem esfregado com um grampo, dá algo lindo e assustador: uma auréola de cabelo espetada. E até estalando. E mesmo na escuridão há flashes. Esta é a ação de um espírito exigente e caprichoso, mas também assustador e incompreensível. Mas chegou a hora e os fenômenos elétricos deixaram de ser território do espírito.

Eles começaram a chamar tudo simplesmente de “interação”. Foi quando começamos a experimentar. Eles criaram uma máquina especial para isso (máquina eletrofórica) e uma jarra para armazenar eletricidade (jarra de Leyden). E um aparelho que já poderia mostrar algum “igual-mais-menos” em relação à eletricidade (eletroscópio). Só falta explicar tudo com a ajuda da linguagem cada vez mais poderosa das fórmulas.

Assim, a humanidade surgiu com a necessidade de reconhecer a presença de uma determinada carga elétrica na natureza. Na verdade, o título não contém nenhuma descoberta. Meios elétricos associados a fenômenos cujo estudo começou com a magia do âmbar. A palavra “carga” fala apenas de vagas possibilidades embutidas em um objeto, como uma bala de canhão. Está claro que a eletricidade pode ser produzida e armazenada de alguma forma. E de alguma forma isso tem que ser medido. O mesmo que uma substância comum, por exemplo, o óleo.

E, por analogia com as substâncias, cujas menores partículas (átomos) foram faladas com segurança desde a época de Demócrito, e decidiu que a carga certamente deveria consistir em “corpúsculos” muito pequenos - corpos. O número disso em um grande corpo carregado dará a quantidade de carga elétrica.

Carga elétrica - lei da conservação da carga

É claro que, naquela época, eles não conseguiam nem imaginar aproximadamente quantos desses “corpúsculos” elétricos poderiam aparecer mesmo em um corpo carregado muito pequeno. Mas ainda era necessária uma unidade prática de carga elétrica. E eles começaram a inventá-lo. O pingente, que deu nome a essa unidade mais tarde, aparentemente mediu a magnitude das cargas usando bolas de metal com as quais conduziu experimentos, mas de alguma forma relativamente. Abri meu famosa lei de Coulomb, no qual escreveu algebricamente que a força que atua entre duas cargas q1 e q2 separadas por uma distância R é proporcional ao seu produto e inversamente proporcional ao quadrado da distância entre elas.

Coeficiente k depende do meio em que ocorre a interação, mas no vácuo é igual à unidade.

Provavelmente, depois de Kepler e Newton, fazer essas coisas não foi tão difícil. A distância é fácil de medir. Ele dividiu as cargas fisicamente, tocando uma bola na outra. Descobriu-se que em duas bolas idênticas, se uma estiver carregada e a outra não, ao entrar em contato, a carga será dividida ao meio - ela se espalhará por ambas as bolas. Assim, ele recebeu valores fracionários da quantidade desconhecida original q.

Estudo interação de cargas elétricas, ele fez medições em diferentes distâncias entre as bolas, registrou os desvios em seus equilíbrios de torção, obtidos quando as bolas carregadas se repelem. Aparentemente, sua lei foi uma pura vitória para a álgebra, já que o próprio Coulomb não conhecia a unidade de medida de carga “coulomb” e simplesmente não conseguia conhecê-la.

Outra vitória foi a descoberta de que a quantidade total dessa mesma quantidade q nas bolas que ele conseguia carregar dessa forma permanecia sempre inalterada. É por isso que ele chamou a lei aberta de lei da conservação da carga.

Q = q 1 + q 2 + q 3 + … + q n

Devemos homenagear o rigor e a paciência do cientista, bem como a coragem com que proclamou as suas leis, sem ter uma unidade da quantidade do que estudou.

Uma partícula de eletricidade - carga mínima

Só mais tarde é que perceberam que a carga elétrica elementar, ou seja, a menor, é... um elétron. Apenas não um pequeno pedaço de âmbar, mas uma partícula inexprimivelmente pequena que nem sequer é uma substância (quase), mas que está necessariamente presente em qualquer corpo material. E até mesmo em cada átomo de cada substância. E não apenas nos átomos, mas também ao seu redor. E aqueles:

que são encontrados nos átomos são chamados de elétrons ligados.
e aqueles ao redor são elétrons livres.

Os elétrons estão ligados em um átomo porque o núcleo atômico também contém partículas carregadas - prótons, e cada próton certamente atrairá um elétron para si. Apenas de acordo com a lei de Coulomb.

E a carga que você pode ver ou sentir resulta de:

atrito,
poupança, acumulação
reação química,
Indução eletromagnética,

consistem apenas em elétrons livres que foram ejetados dos átomos devido a vários mal-entendidos:

de ser atingido por outro átomo (emissão térmica)
quantum de luz (fotoemissão) e por outras razões

e vagando dentro de enormes corpos macroscópicos (por exemplo, cabelos).

Para os elétrons, os corpos dos nossos objetos são verdadeiramente enormes. Uma unidade de carga (coulomb) contém aproximadamente esta quantidade de elétrons: pouco mais de 624.150.912.514.351.000. Parece assim: 624 quatrilhões 150 trilhões 912 bilhões 514 milhões 351 mil elétrons em um coulomb de carga elétrica.

E o pingente é uma quantidade bem simples e próxima da gente. Um coulomb é a mesma carga que flui em um segundo através da seção transversal de um condutor se a corrente nele tiver uma força de um ampere. Ou seja, a 1 ampere, para cada segundo, apenas esses 624 quatrilhões... de elétrons piscarão na seção transversal do fio.

Os elétrons são tão móveis e se movem tão rapidamente dentro dos corpos físicos que acendem nossa lâmpada instantaneamente, assim que pressionamos o interruptor. E é por isso que a nossa interação elétrica é tão rápida que eventos chamados “recombinação” ocorrem a cada segundo. O elétron que escapou encontra o átomo do qual o elétron acabou de escapar e ocupa um espaço livre nele.

O número desses eventos por segundo também é da ordem de... bem, todo mundo já imagina isso. E esses eventos se repetem continuamente quando os elétrons deixam os átomos e depois retornam aos átomos. Eles fogem e voltam. Esta é a vida deles, sem ela eles simplesmente não podem existir. E só graças a isso existe a eletricidade - aquele sistema que se tornou parte da nossa vida, do nosso conforto, da nossa nutrição e preservação.

Direção atual. Quem está no comando do nosso comando?

A única coisa que resta é uma pequena curiosidade que todos conhecem, mas nenhum dos físicos quer corrigir.

Quando Coulomb fez truques com suas bolas, eles perceberam que havia dois tipos de cobranças. E cargas do mesmo tipo se repelem, e cargas de tipos diferentes se atraem. Foi natural citar alguns deles positivo e outros negativos. E suponha que a corrente elétrica flua de onde há mais para onde há menos. Ou seja, de mais para menos. Portanto, ficou na mente dos físicos por muitas gerações.

Mas então não foram os elétrons, mas os íons que foram descobertos primeiro. Estes são precisamente aqueles átomos inconsoláveis que perderam seus elétrons. Em cujo núcleo existe um próton “extra” e, portanto, eles estão carregados. Bem, quando descobriram isso, imediatamente suspiraram e disseram - aqui está, você é nossa carga positiva. E o próton ganhou a reputação de partícula carregada positivamente.

E então eles perceberam que os átomos são geralmente neutros porque a carga elétrica do núcleo é equilibrada pela carga das camadas eletrônicas que giram em torno do núcleo. Ou seja, construíram um modelo planetário do átomo. E só então entenderam que os átomos constituem toda (quase) matéria, sua rede cristalina sólida ou toda a massa de seu corpo líquido. Ou seja, prótons com nêutrons ficam solidamente nos núcleos dos átomos. E não à sua disposição, como os elétrons leves e móveis. Consequentemente, a corrente não flui de mais para menos, mas, pelo contrário, de menos para mais.

A palavra eletricidade vem do nome grego para âmbar - ελεκτρον .
O âmbar é a resina fossilizada das árvores coníferas. Os antigos notaram que se você esfregar o âmbar com um pedaço de pano, ele atrairá objetos leves ou poeira. Esse fenômeno, que hoje chamamos de eletricidade estática, pode ser observado esfregando-se um bastão de ebonite ou de vidro ou simplesmente uma régua de plástico com um pano.

Uma régua de plástico, cuidadosamente esfregada com um guardanapo de papel, atrai pequenos pedaços de papel (Fig. 22.1). Você pode ter visto descargas de eletricidade estática enquanto penteava o cabelo ou tirava a blusa ou camisa de náilon. Você pode ter sofrido um choque elétrico ao tocar na maçaneta de uma porta de metal depois de se levantar do assento do carro ou andar sobre um carpete sintético. Em todos esses casos, o objeto adquire carga elétrica por atrito; dizem que a eletrificação ocorre por fricção.

Todas as cargas elétricas são iguais ou existem tipos diferentes? Acontece que existem dois tipos de cargas elétricas, o que pode ser comprovado pela seguinte experiência simples. Pendure uma régua de plástico pelo meio em um fio e esfregue-a bem com um pedaço de pano. Se agora trouxermos outra régua eletrificada, descobriremos que as réguas se repelem (Fig. 22.2, a).
Da mesma forma, aproximando outra vareta de vidro eletrificada, observaremos sua repulsão (Fig. 22.2,6). Se um bastão de vidro carregado for levado até uma régua de plástico eletrificada, eles serão atraídos (Fig. 22.2, c). A régua parece ter um tipo de carga diferente da do bastão de vidro.
Foi estabelecido experimentalmente que todos os objetos carregados são divididos em duas categorias: ou são atraídos pelo plástico e repelidos pelo vidro, ou, inversamente, repelidos pelo plástico e atraídos pelo vidro. Parece haver dois tipos de cargas: cargas do mesmo tipo se repelem e cargas de tipos diferentes se atraem. Dizemos que cargas semelhantes se repelem e cargas diferentes se atraem.

O estadista, filósofo e cientista americano Benjamin Franklin (1706-1790) chamou esses dois tipos de cargas de positivas e negativas. Não fazia absolutamente nenhuma diferença a tarifa a ser cobrada;
Franklin propôs que a carga de um bastão de vidro eletrificado fosse considerada positiva. Neste caso, a carga que aparece na régua plástica (ou âmbar) será negativa. Este acordo ainda é seguido hoje.

A teoria da eletricidade de Franklin era, na verdade, um conceito de "um fluido": uma carga positiva era vista como um excesso do "fluido elétrico" em relação ao seu conteúdo normal em um determinado objeto, e uma carga negativa como uma deficiência. Franklin argumentou que quando, como resultado de algum processo, surge uma certa carga em um corpo, a mesma quantidade de carga do tipo oposto surge simultaneamente em outro corpo. Os nomes “positivo” e “negativo” devem, portanto, ser entendidos num sentido algébrico, de modo que a carga total adquirida pelos corpos em qualquer processo seja sempre igual a zero.

Por exemplo, quando uma régua de plástico é atritada com um guardanapo de papel, a régua adquire uma carga negativa e o guardanapo adquire uma carga positiva igual. Há uma separação de cobranças, mas sua soma é zero.
Este exemplo ilustra o firmemente estabelecido lei da conservação da carga elétrica, onde se lê:

A carga elétrica total resultante de qualquer processo é zero.

Nunca foram observados desvios desta lei, portanto podemos considerar que ela está tão firmemente estabelecida quanto as leis de conservação de energia e momento.

Cargas elétricas em átomos

Somente no século passado ficou claro que a razão da existência da carga elétrica está nos próprios átomos. Posteriormente discutiremos a estrutura do átomo e o desenvolvimento de ideias sobre ele com mais detalhes. Aqui discutiremos brevemente as principais ideias que nos ajudarão a compreender melhor a natureza da eletricidade.

De acordo com os conceitos modernos, um átomo (um tanto simplificado) consiste em um núcleo pesado com carga positiva rodeado por um ou mais elétrons com carga negativa.
No estado normal, as cargas positivas e negativas de um átomo são iguais em magnitude e o átomo como um todo é eletricamente neutro. No entanto, um átomo pode perder ou ganhar um ou mais elétrons. Então sua carga será positiva ou negativa, e tal átomo é chamado de íon.

Num sólido, os núcleos podem vibrar, permanecendo perto de posições fixas, enquanto alguns elétrons se movem completamente livremente. A eletrificação por fricção pode ser explicada pelo fato de que em diferentes substâncias os núcleos retêm elétrons com forças diferentes.
Quando uma régua de plástico que é atritada com um guardanapo de papel adquire uma carga negativa, isso significa que os elétrons no guardanapo de papel são mantidos com menos força do que no plástico, e alguns deles são transferidos do guardanapo para a régua. A carga positiva do guardanapo é igual em magnitude à carga negativa adquirida pela régua.

Normalmente, os objetos eletrificados por fricção mantêm a carga apenas por um tempo e, eventualmente, retornam a um estado eletricamente neutro. Para onde vai a cobrança? Ele “drena” para as moléculas de água contidas no ar.
O fato é que as moléculas de água são polares: embora em geral sejam eletricamente neutras, a carga nelas não é distribuída uniformemente (Fig. 22.3). Portanto, o excesso de elétrons da régua eletrificada irá “drenar” para o ar, sendo atraído para a região carregada positivamente da molécula de água.
Por outro lado, a carga positiva do objeto será neutralizada pelos elétrons, que são fracamente retidos pelas moléculas de água no ar. No tempo seco, a influência da eletricidade estática é muito mais perceptível: há menos moléculas de água no ar e a carga não flui tão rapidamente. Em tempo úmido e chuvoso, o item não consegue manter a carga por muito tempo.

Isoladores e condutores

Sejam duas bolas de metal, uma das quais altamente carregada e a outra eletricamente neutra. Se os conectarmos com, digamos, um prego de ferro, a bola descarregada adquirirá rapidamente uma carga elétrica. Se tocarmos simultaneamente as duas bolas com uma vara de madeira ou um pedaço de borracha, a bola, que não tinha carga, permanecerá descarregada. Substâncias como o ferro são chamadas de condutores de eletricidade; madeira e borracha são chamadas de não condutores ou isolantes.

Os metais são geralmente bons condutores; A maioria das outras substâncias são isolantes (no entanto, os isoladores conduzem um pouco de eletricidade). Curiosamente, quase todos os materiais naturais se enquadram em uma dessas duas categorias nitidamente diferentes.
Existem, no entanto, substâncias (entre as quais devem ser mencionados o silício, o germânio e o carbono) que pertencem a uma categoria intermédia (mas também nitidamente separada). Eles são chamados de semicondutores.

Do ponto de vista da teoria atômica, os elétrons nos isolantes estão fortemente ligados aos núcleos, enquanto nos condutores muitos elétrons estão muito fracamente ligados e podem se mover livremente dentro da substância.
Quando um objeto carregado positivamente é aproximado ou toca um condutor, os elétrons livres se movem rapidamente em direção à carga positiva. Se um objeto estiver carregado negativamente, os elétrons, ao contrário, tendem a se afastar dele. Nos semicondutores existem muito poucos elétrons livres e nos isoladores eles estão praticamente ausentes.

Carga induzida. Eletroscópio

Vamos trazer um objeto metálico carregado positivamente para outro objeto metálico (neutro).

Após o contato, os elétrons livres de um objeto neutro serão atraídos por um objeto carregado positivamente e alguns deles serão transferidos para ele. Como o segundo objeto agora carece de um certo número de elétrons com carga negativa, ele adquire uma carga positiva. Este processo é chamado de eletrificação devido à condutividade elétrica.

Vamos agora aproximar o objeto carregado positivamente da haste de metal neutra, mas de forma que eles não se toquem. Embora os elétrons não saiam da haste metálica, eles se moverão em direção ao objeto carregado; uma carga positiva surgirá na extremidade oposta da haste (Fig. 22.4). Neste caso, diz-se que uma carga é induzida (ou induzida) nas extremidades da haste metálica. É claro que não surgem novas cargas: as cargas simplesmente se separaram, mas no geral a haste permaneceu eletricamente neutra. No entanto, se agora cortássemos a barra transversalmente no meio, obteríamos dois objetos carregados - um com carga negativa e outro com carga positiva.

Você também pode transmitir uma carga a um objeto metálico conectando-o com um fio ao solo (ou, por exemplo, a um cano de água que vai para o solo), como mostrado na Fig. 22,5, a. Diz-se que o assunto está fundamentado. Devido ao seu enorme tamanho, a Terra aceita e cede elétrons; ele atua como um reservatório de carga. Se você aproximar um objeto carregado, digamos, negativamente, do metal, os elétrons livres do metal serão repelidos e muitos irão ao longo do fio até o solo (Fig. 22.5,6). O metal ficará carregado positivamente. Se você desconectar o fio agora, uma carga induzida positiva permanecerá no metal. Mas se você fizer isso depois que o objeto carregado negativamente for removido do metal, todos os elétrons terão tempo de retornar e o metal permanecerá eletricamente neutro.

Um eletroscópio (ou eletrômetro simples) é usado para detectar carga elétrica.

Como pode ser visto a partir da fig. 22.6, consiste em um corpo, dentro do qual existem duas folhas móveis, muitas vezes feitas de ouro. (Às vezes, apenas uma folha é móvel.) As folhas são montadas em uma haste de metal, que é isolada do corpo e termina externamente com uma bola de metal. Se você aproximar um objeto carregado da bola, ocorre uma separação de cargas na haste (Fig. 22.7, a), as folhas ficam com carga semelhante e se repelem, como mostra a figura.

Você pode carregar completamente a haste devido à condutividade elétrica (Fig. 22.7, b). De qualquer forma, quanto maior a carga, mais as folhas divergem.

Observe, entretanto, que o sinal da carga não pode ser determinado desta forma: uma carga negativa separará as folhas exatamente na mesma distância que uma carga positiva igual. E ainda assim, um eletroscópio pode ser usado para determinar o sinal da carga, para isso a haste deve primeiro receber, digamos, uma carga negativa (Fig. 22.8, a). Se você agora trouxer um objeto carregado negativamente para a bola do eletroscópio (Fig. 22.8.6), então elétrons adicionais se moverão para as folhas e eles se afastarão ainda mais. Pelo contrário, se uma carga positiva for trazida para a bola, os elétrons se afastarão das folhas e se aproximarão (Fig. 22.8, c), pois sua carga negativa diminuirá.

O eletroscópio foi amplamente utilizado nos primórdios da engenharia elétrica. Eletrômetros modernos muito sensíveis operam com o mesmo princípio quando usam circuitos eletrônicos.

Esta publicação é baseada em materiais do livro de D. Giancoli. "Física em dois volumes" 1984 Volume 2.

Continua. Resumidamente sobre a seguinte publicação:

Força F, com o qual um corpo carregado atua sobre outro corpo carregado, é proporcional ao produto de suas cargas P 1 e P 2 e inversamente proporcional ao quadrado da distância R entre eles.

Comentários e sugestões são aceitos e bem vindos!

Resumo sobre engenharia elétrica

Concluído por: Agafonov Roman

Faculdade Agroindustrial de Luga

É impossível dar uma definição breve de cobrança que seja satisfatória em todos os aspectos. Estamos acostumados a encontrar explicações compreensíveis para formações e processos muito complexos, como o átomo, os cristais líquidos, a distribuição das moléculas por velocidade, etc. Mas os conceitos mais básicos, fundamentais, indivisíveis em outros mais simples, desprovidos, segundo a ciência atual, de qualquer mecanismo interno, não podem mais ser explicados brevemente e de forma satisfatória. Especialmente se os objetos não são percebidos diretamente pelos nossos sentidos. São a esses conceitos fundamentais que a carga elétrica se refere.

Vamos primeiro tentar descobrir não o que é uma carga elétrica, mas o que está oculto por trás da afirmação: este corpo ou partícula tem carga elétrica.

Você sabe que todos os corpos são construídos a partir de partículas minúsculas, indivisíveis em partículas mais simples (até onde a ciência sabe agora), que são, portanto, chamadas de elementares. Todas as partículas elementares têm massa e por isso são atraídas umas pelas outras. De acordo com a lei da gravitação universal, a força de atração diminui de forma relativamente lenta à medida que a distância entre eles aumenta: inversamente proporcional ao quadrado da distância. Além disso, a maioria das partículas elementares, embora não todas, têm a capacidade de interagir entre si com uma força que também diminui na proporção inversa ao quadrado da distância, mas essa força é um grande número de vezes maior que a força da gravidade . Assim, no átomo de hidrogênio, mostrado esquematicamente na Figura 1, o elétron é atraído para o núcleo (próton) com uma força 1039 vezes maior que a força de atração gravitacional.

Se as partículas interagem entre si com forças que diminuem lentamente com o aumento da distância e são muitas vezes maiores que as forças da gravidade, então diz-se que essas partículas têm uma carga elétrica. As próprias partículas são chamadas de carregadas. Existem partículas sem carga elétrica, mas não existe carga elétrica sem partícula.

As interações entre partículas carregadas são chamadas eletromagnéticas. Quando dizemos que elétrons e prótons são eletricamente carregados, isso significa que eles são capazes de interações de um determinado tipo (eletromagnéticas) e nada mais. A falta de carga nas partículas significa que não detecta tais interações. A carga elétrica determina a intensidade das interações eletromagnéticas, assim como a massa determina a intensidade das interações gravitacionais. A carga elétrica é a segunda característica (depois da massa) mais importante das partículas elementares, que determina seu comportamento no mundo circundante.

Por isso

Carga elétrica é uma quantidade escalar física que caracteriza a propriedade de partículas ou corpos de entrar em interações de força eletromagnética.

A carga elétrica é simbolizada pelas letras q ou Q.

Assim como na mecânica é frequentemente utilizado o conceito de ponto material, o que permite simplificar significativamente a solução de muitos problemas, ao estudar a interação de cargas o conceito de carga pontual é eficaz. Uma carga pontual é um corpo carregado cujas dimensões são significativamente menores que a distância deste corpo ao ponto de observação e outros corpos carregados. Em particular, se falam sobre a interação de duas cargas pontuais, assumem assim que a distância entre os dois corpos carregados em consideração é significativamente maior do que as suas dimensões lineares.

A carga elétrica de uma partícula elementar não é um “mecanismo” especial na partícula que possa ser removido dela, decomposto em suas partes componentes e remontado. A presença de uma carga elétrica em um elétron e em outras partículas significa apenas a existência de certas interações entre eles.

Na natureza existem partículas com cargas de sinais opostos. A carga de um próton é chamada de positiva e a carga de um elétron é chamada de negativa. O sinal positivo de uma carga em uma partícula não significa, é claro, que ela tenha quaisquer vantagens especiais. A introdução de cargas de dois sinais expressa simplesmente o fato de que partículas carregadas podem atrair e repelir. Se os sinais de carga forem iguais, as partículas se repelem, e se os sinais de carga forem diferentes, elas se atraem.

Atualmente não há explicação para as razões da existência de dois tipos de cargas elétricas. Em qualquer caso, não são encontradas diferenças fundamentais entre cargas positivas e negativas. Se os sinais das cargas elétricas das partículas mudassem para o oposto, então a natureza das interações eletromagnéticas na natureza não mudaria.

Cargas positivas e negativas estão muito bem equilibradas no Universo. E se o Universo for finito, então a sua carga eléctrica total é, com toda a probabilidade, igual a zero.

O mais notável é que a carga elétrica de todas as partículas elementares é estritamente a mesma em magnitude. Existe uma carga mínima, chamada elementar, que todas as partículas elementares carregadas possuem. A carga pode ser positiva, como um próton, ou negativa, como um elétron, mas o módulo de carga é o mesmo em todos os casos.

É impossível separar parte da carga, por exemplo, de um elétron. Esta é talvez a coisa mais surpreendente. Nenhuma teoria moderna pode explicar por que as cargas de todas as partículas são iguais e não é capaz de calcular o valor da carga elétrica mínima. É determinado experimentalmente por meio de vários experimentos.

Na década de 1960, depois que o número de partículas elementares recém-descobertas começou a crescer de forma alarmante, levantou-se a hipótese de que todas as partículas que interagem fortemente são compostas. Partículas mais fundamentais foram chamadas de quarks. O que surpreendeu foi que os quarks deveriam ter uma carga elétrica fracionária: 1/3 e 2/3 da carga elementar. Para construir prótons e nêutrons, bastam dois tipos de quarks. E seu número máximo, aparentemente, não ultrapassa seis.

É impossível criar um padrão macroscópico de uma unidade de carga elétrica, semelhante ao padrão de comprimento - um metro, devido ao inevitável vazamento de carga. Seria natural considerar a carga de um elétron como uma só (isso agora é feito na física atômica). Mas na época de Coulomb, a existência de elétrons na natureza ainda não era conhecida. Além disso, a carga do elétron é muito pequena e, portanto, difícil de usar como padrão.

No Sistema Internacional de Unidades (SI), a unidade de carga, o coulomb, é estabelecida utilizando a unidade de corrente:

1 coulomb (C) é a carga que passa pela seção transversal de um condutor em 1 s a uma corrente de 1 A.

Uma carga de 1 C é muito grande. Duas dessas cargas a uma distância de 1 km se repeliriam com uma força ligeiramente menor que a força com que o globo atrai uma carga de 1 tonelada. Portanto, é impossível transmitir uma carga de 1 C a um corpo pequeno (cerca de alguns metros de tamanho). Repelindo-se umas das outras, as partículas carregadas não seriam capazes de permanecer em tal corpo. Não existem outras forças na natureza que sejam capazes de compensar a repulsão de Coulomb nestas condições. Mas em um condutor geralmente neutro, não é difícil colocar em movimento uma carga de 1 C. De fato, em uma lâmpada comum com potência de 100 W e tensão de 127 V, é estabelecida uma corrente ligeiramente inferior a 1 A. Ao mesmo tempo, em 1 s uma carga quase igual a 1 C passa pela cruz -seção do condutor.

Um eletrômetro é usado para detectar e medir cargas elétricas. O eletrômetro consiste em uma haste metálica e um ponteiro que pode girar em torno de um eixo horizontal (Fig. 2). A haste com a flecha é fixada em uma manga de plexiglass e colocada em uma caixa metálica cilíndrica, fechada com tampas de vidro.

O princípio de funcionamento do eletrômetro. Vamos tocar a haste carregada positivamente na haste do eletrômetro. Veremos que a agulha do eletrômetro se desvia em um determinado ângulo (ver Fig. 2). A rotação da seta é explicada pelo fato de que quando um corpo carregado entra em contato com a haste do eletrômetro, as cargas elétricas são distribuídas ao longo da seta e da haste. Forças repulsivas agindo entre cargas elétricas semelhantes na haste e no ponteiro fazem com que o ponteiro gire. Vamos eletrificar a haste de ebonite novamente e tocar novamente a haste do eletrômetro com ela. A experiência mostra que com o aumento da carga elétrica na haste, o ângulo de desvio da flecha da posição vertical aumenta. Consequentemente, pelo ângulo de deflexão da agulha do eletrômetro, pode-se avaliar o valor da carga elétrica transferida para a haste do eletrômetro.

A totalidade de todos os fatos experimentais conhecidos permite-nos destacar as seguintes propriedades da carga:

Existem dois tipos de cargas elétricas, convencionalmente chamadas de positivas e negativas. Corpos carregados positivamente são aqueles que agem sobre outros corpos carregados da mesma forma que o vidro eletrificado pela fricção com a seda. Corpos que agem da mesma forma que a ebonita eletrificada por fricção com lã são chamados de carregados negativamente. A escolha do nome “positivo” para cargas que surgem no vidro e “negativo” para cargas em ebonite é completamente aleatória.

As cobranças podem ser transferidas (por exemplo, por contato direto) de um órgão para outro. Ao contrário da massa corporal, a carga elétrica não é uma característica integral de um determinado corpo. O mesmo corpo, em condições diferentes, pode ter cargas diferentes.

Carga elétrica é uma quantidade física que caracteriza a propriedade de partículas ou corpos de entrar em interações de força eletromagnética. El z. geralmente denotado pelas letras q ou Q. A totalidade de todos os fatos experimentais conhecidos nos permite tirar as seguintes conclusões:

Existem dois tipos de cargas elétricas, convencionalmente chamadas de positivas e negativas.

Cargas semelhantes se repelem, cargas diferentes se atraem. Isto também revela a diferença fundamental entre as forças eletromagnéticas e as gravitacionais. As forças gravitacionais são sempre forças atrativas.

Uma das leis fundamentais da natureza é a estabelecida experimentalmente lei da conservação da carga elétrica .

Num sistema isolado, a soma algébrica das cargas de todos os corpos permanece constante:

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

A lei da conservação da carga elétrica afirma que em um sistema fechado de corpos não podem ser observados processos de criação ou desaparecimento de cargas de apenas um signo.

Do ponto de vista moderno, os portadores de carga são partículas elementares. Todos os corpos comuns são compostos de átomos, que incluem prótons com carga positiva, elétrons com carga negativa e partículas neutras - nêutrons. Prótons e nêutrons fazem parte dos núcleos atômicos, os elétrons formam a camada eletrônica dos átomos. As cargas elétricas de um próton e de um elétron são exatamente iguais em magnitude e iguais à carga elementar e.

Em um átomo neutro, o número de prótons no núcleo é igual ao número de elétrons na camada. Este número é chamado número atômico . Um átomo de uma determinada substância pode perder um ou mais elétrons ou ganhar um elétron extra. Nestes casos, o átomo neutro se transforma em um íon com carga positiva ou negativa.

A carga pode ser transferida de um corpo para outro apenas em porções contendo um número inteiro de cargas elementares. Assim, a carga elétrica do corpo é quantidade discreta:

Quantidades físicas que só podem assumir uma série discreta de valores são chamadas quantificado . Carga elementar eé um quantum (menor porção) de carga elétrica. Deve-se notar que na física moderna das partículas elementares é assumida a existência dos chamados quarks - partículas com carga fracionária e. No entanto, os quarks ainda não foram observados em estado livre.

Em experimentos comuns de laboratório, um eletrômetro - um dispositivo que consiste em uma haste de metal e um ponteiro que pode girar em torno de um eixo horizontal.

O eletrômetro é um instrumento bastante rudimentar; não permite estudar as forças de interação entre cargas. A lei da interação de cargas estacionárias foi descoberta pela primeira vez pelo físico francês C. Coulomb em 1785. Em seus experimentos, Coulomb mediu as forças de atração e repulsão de bolas carregadas usando um dispositivo que ele projetou - uma balança de torção (Fig. 1.1.2 ), que se destacou pela sensibilidade extremamente alta. Por exemplo, a trave de equilíbrio foi girada 1° sob a influência de uma força da ordem de 10 –9 N.

A ideia das medições baseou-se na brilhante suposição de Coulomb de que se uma bola carregada for colocada em contato com exatamente a mesma bola sem carga, a carga da primeira será dividida igualmente entre elas. Assim, foi indicada uma forma de alterar a carga da bola duas, três, etc. Nos experimentos de Coulomb, foi medida a interação entre bolas cujas dimensões eram muito menores que a distância entre elas. Esses corpos carregados são geralmente chamados cargas pontuais.

Uma carga pontual é um corpo carregado cujas dimensões podem ser desprezadas nas condições deste problema.

Há também: carga linear t (tau) = dq / dl, comprimento l, carga dq do fio

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

Carga de volume p(ro)=dq/dv (célula/m3)

As forças de interação obedecem à terceira lei de Newton: São forças repulsivas com os mesmos sinais de cargas e forças atrativas com sinais diferentes (Fig. 1.1.3). A interação de cargas elétricas estacionárias é chamada eletrostático ou Coulomb interação. O ramo da eletrodinâmica que estuda a interação de Coulomb é denominado eletrostática .

A lei de Coulomb é válida para corpos com carga pontual. Na prática, a lei de Coulomb é satisfeita se os tamanhos dos corpos carregados forem muito menores que a distância entre eles.

Fator de proporcionalidade k na lei de Coulomb depende da escolha do sistema de unidades. No Sistema SI Internacional, a unidade de carga é considerada pingente(Cl).

Pingenteé uma carga que passa pela seção transversal de um condutor em 1 s a uma corrente de 1 A. A unidade de corrente (ampère) no SI é, junto com as unidades de comprimento, tempo e massa unidade básica de medida.

Coeficiente k no sistema SI geralmente é escrito como:

A experiência mostra que as forças de interação de Coulomb obedecem ao princípio da superposição.

Se um corpo carregado interage simultaneamente com vários corpos carregados, então a força resultante que atua neste corpo é igual à soma vetorial das forças que atuam neste corpo de todos os outros corpos carregados.

O princípio da superposição é uma lei fundamental da natureza. Porém, seu uso requer alguns cuidados quando falamos da interação de corpos carregados de tamanhos finitos (por exemplo, duas bolas carregadas condutoras 1 e 2). Se uma terceira bola carregada for trazida para um sistema de duas bolas carregadas, então a interação entre 1 e 2 mudará devido a redistribuição de cobrança.

O princípio da superposição afirma que quando dada distribuição de carga (fixa) em todos os corpos, as forças de interação eletrostática entre dois corpos quaisquer não dependem da presença de outros corpos carregados.