Panouri
Sarcina electrică și tipurile sale. Esența fizică a sarcinii electrice

Sarcina electrică și tipurile sale. Esența fizică a sarcinii electrice

Sarcina electrică este o mărime fizică care caracterizează intensitatea interacțiunii electromagnetice dintre corpuri. Sarcina electrică în sine nu există; purtătorul ei poate fi doar o particulă de materie.

Proprietăți de bază

1. Dualitate: în natură există încărcături de două semne, precum sarcinile resping, sarcinile opuse se atrag. În acest sens, sarcinile condiționate sunt împărțite în pozitive și negative.

Sarcina deținută de o baghetă de sticlă frecata de mătase sau hârtie se numește pozitivă.

Negativ - încărcătura deținută de un bețișor de chihlimbar sau ebonită frecat de blană sau lână.

2. Cuantizarea: Dacă o mărime fizică ia doar anumite valori discrete, se spune că este cuantificată (discretă). Experiența arată că orice sarcină electrică este cuantificată, adică. constă dintr-un număr întreg de sarcini elementare.

unde =1,2,...întreg; e =1,6·1 -19 C - sarcină elementară.

Electronul are cea mai mică sarcină negativă (elementară), protonul are sarcina pozitivă.

1 coulomb este sarcina care trece prin secțiunea transversală a unui conductor într-o secundă când un curent continuu de un amper trece prin conductor.

3. Conservarea sarcinii.

Sarcinile electrice pot dispărea și reapar doar în perechi. În fiecare astfel de pereche, sarcinile sunt egale ca mărime și opus ca semn. De exemplu, un electron și un pozitron se anihilează atunci când se întâlnesc, adică. se transformă în g - fotoni neutri, iar sarcinile –e și +e dispar. În timpul unui proces numit producție de perechi, un foton g, care intră în câmpul unui nucleu atomic, se transformă într-o pereche de particule, un electron și un pozitron, iar sarcinile +e și –e apar.

Legea conservarii sarcinii:într-un sistem izolat, suma algebrică a sarcinilor rămâne constantă pentru toate modificările din cadrul sistemului.

Izolat este un sistem de corpuri care nu schimbă sarcini cu mediul extern.

4. Invarianta sarcina la diferite cadre de referință inerțiale.

Experiența arată că mărimea sarcinii nu depinde de viteza de mișcare a corpului încărcat. Aceeași sarcină măsurată în cadre de raportare inerțiale diferite este aceeași.

5. Aditivitate: .

Clasificarea taxelor.

În funcție de dimensiunea corpului încărcat, sarcinile sunt împărțite în puncte și extinse.

· O sarcină punctiformă este un corp încărcat ale cărui dimensiuni pot fi neglijate în condițiile acestei probleme.

· Extinsa este sarcina unui corp ale carui dimensiuni nu pot fi neglijate in conditiile acestei probleme. Sarcinile extinse sunt împărțite în liniare, de suprafață și de volum.

Prin capacitatea de a se deplasa în raport cu poziția de echilibru sub influența electricității externe. câmpurile, taxele sunt împărțite în mod convențional în libere, legate și străine.

Gratuit se numesc sarcini care se pot mișca liber într-un corp sub influența electricității externe. câmpuri.

Legate de se numesc sarcinile care fac parte din moleculele dielectrice, care sub influența electricității. câmpurile se pot deplasa doar din poziția lor de echilibru, dar nu pot părăsi molecula.

Terț se numesc sarcini situate pe dielectric, dar nu fac parte din moleculele acestuia.

Legea care guvernează forța de interacțiune între sarcinile punctuale a fost stabilită experimental în 1785. Pandantiv.

legea lui Coulomb: forța de interacțiune dintre două sarcini punctuale staționare este direct proporțională cu sarcinile, invers proporțională cu pătratul distanței dintre ele, îndreptată de-a lungul dreptei care leagă sarcinile, și depinde de mediul în care acestea se află.

unde q 1, q 2 - valorile de sarcină; r este distanța dintre sarcini;

8,85 1 -12 C 2 / (N m 2) - constantă electrică,

e este constanta dielectrică a mediului.

Constanta dielectrică a unei substanțe arată de câte ori forța de interacțiune între sarcini într-un anumit dielectric este mai mică decât în vid, vid = 1, este o mărime adimensională.

Să explicăm motivul acestei slăbiri luând în considerare o minge încărcată înconjurată de un dielectric. Câmpul bilei orientează moleculele dielectricului, iar sarcinile legate negative apar pe suprafața dielectricului adiacent bilei.

Câmpul în orice punct al dielectricului va fi creat de două sfere încărcate opus: suprafața mingii, încărcată pozitiv și suprafața încărcată negativ a dielectricului adiacent acesteia, în timp ce câmpul sarcinilor legate este scăzut din câmpul de taxe gratuite, iar câmpul total va fi mai slab decât câmpul unei mingi.

1. Intensitatea câmpului electrostatic. Principiul suprapunerii câmpurilor electrice. Fluxul vectorial.

Orice sarcină schimbă proprietățile spațiului înconjurător - creează un câmp electric în el.

Un câmp electric este una dintre formele de existență a materiei din jurul sarcinilor electrice. Acest câmp se manifestă prin faptul că o sarcină electrică plasată în orice punct se află sub influența forței.

Conceptul de câmp electric a fost introdus în știință în anii 30 ai secolului al XIX-lea de către oamenii de știință englezi Michael Faraday.

Potrivit lui Faraday, fiecare sarcină electrică este înconjurată de câmpul electric pe care îl creează, așa că o astfel de sarcină este uneori numită sarcină sursă. Sarcina cu care este studiat câmpul de sarcină sursă se numește sarcină de test.

Pentru ca forța care acționează asupra sarcinii de încercare să caracterizeze câmpul într-un punct dat; Taxa de testare trebuie să fie o taxă punctuală.

Taxa punctuala numit corp încărcat, ale cărui dimensiuni pot fi neglijate în condițiile acestei probleme, adică. ale căror dimensiuni sunt mici în comparaţie cu distanţele faţă de alte corpuri cu care interacţionează. În acest caz, câmpul electric propriu al sarcinii de testare trebuie să fie atât de mic încât să nu modifice câmpul sarcinii sursei. Cu cât este mai mică dimensiunea corpului încărcat și cu cât propriul său câmp este mai slab în comparație cu câmpul încărcării sursei, cu atât acest corp încărcat satisface mai precis condiția de încărcare de testare.

Câmpul electric se propagă în vid cu viteza c = 3·1 8 .

Câmpul sarcinilor electrice staționare este electrostatic.

Folosind o sarcină de testare, investigăm câmpul creat de o sarcină staționară - sursa.

Forța care acționează asupra sarcinii de testare într-un punct dat din câmp depinde de mărimea sarcinii de testare. Dacă luăm sarcini de testare diferite, atunci forța care acționează asupra lor într-un anumit punct al câmpului va fi diferită.

Cu toate acestea, raportul dintre forță și mărimea sarcinii de testare rămâne constant și caracterizează câmpul în sine. Acest raport se numește intensitatea câmpului electric la un punct dat.

Intensitatea câmpului electric este o mărime vectorială egală numeric cu forța cu care câmpul acționează asupra unei sarcini de testare pozitive unitare într-un punct dat din câmp și codirecțională cu această forță.

Forța este principala caracteristică a câmpului și caracterizează complet câmpul în fiecare punct în mărime și direcție.

Intensitatea câmpului unei sarcini punctiforme.

Conform legii lui Coulomb

este intensitatea câmpului electric al unei sarcini punctiforme aflate la o distanță r de această sarcină.

Este convenabil să reprezentați grafic câmpul electric folosind o imagine a așa-numitelor linii de forță sau linii de tensiune.

Linie de tensiune este o dreaptă a cărei tangentă în fiecare punct coincide în direcție cu vectorul de tensiune din acel punct.

Liniile de intensitate a câmpului create de sarcinile staționare încep și se termină întotdeauna la sarcini (sau la infinit) și nu sunt niciodată închise. Un câmp mai puternic este reprezentat de linii de tensiune mai dens distanțate. Densitatea liniilor este aleasă astfel încât numărul de linii care străpunge o unitate de suprafață a locului perpendicular pe linii să fie egal cu valoarea numerică a vectorului. Liniile de tensiune nu se intersectează niciodată, pentru că... intersecția lor ar însemna două direcții diferite ale vectorului intensității câmpului în același punct, ceea ce nu are sens.

Un câmp în care intensitatea în toate punctele are aceeași mărime și aceeași direcție se numește omogen. Într-un astfel de câmp, liniile de forță sunt paralele și densitatea lor este aceeași peste tot, adică. sunt situate la aceeași distanță unul de celălalt.

Principiul suprapunerii.

Dacă câmpul electric dintr-un punct dat este creat de mai multe sarcini, atunci puterea câmpului rezultat este egală cu suma vectorială a intensităților câmpului create de fiecare sarcină separat.

Principiul suprapunerii este un fapt experimental care este valabil până la câmpuri foarte puternice. Conform aceleiași legi, nu se formează doar câmpuri electromagnetice statice, ci și care se schimbă rapid

Să selectăm în câmpul vectorial un anumit volum limitat de suprafața S. Să împărțim această suprafață în zone elementare de dimensiune .

Un element de suprafață direcționat poate fi introdus în considerare. Un element direcționat al unei suprafețe este un vector a cărui lungime este egală cu aria elementului, iar direcția coincide cu direcția normalei acestui element. Pentru o suprafață închisă, se ia normala exterioară la suprafață. Deoarece alegerea direcției este arbitrară (condițională), aceasta poate fi direcționată fie într-o direcție de la site, fie în alta; nu este un vector adevărat, ci un pseudo-vector.

element de suprafață direcțională,

Suprafata elementara.

Curgerea vectorului de tensiune printr-o suprafață elementară dS numit produs scalar

unde a este unghiul dintre vectori și ,

E n - proiecție pe direcția normală.

După ce însumăm fluxurile prin toate zonele elementare în care a fost împărțită suprafața S, obținem fluxul vectorial prin suprafața S.

Curgerea unui vector prin suprafața S este integrală

Pentru o suprafață închisă.

Fluxul vectorial este o mărime algebrică:

Pentru un câmp uniform

Fluxul vectorului de tensiune poate primi o interpretare geometrică clară: este numeric egal cu numărul de linii de tensiune care traversează o suprafață dată.

2. Teorema lui Gauss pentru fluxul vectorial și aplicarea acesteia pentru a calcula câmpurile sarcinilor extinse în vid.

Cunoscând intensitatea câmpului unei sarcini punctiforme și folosind principiul suprapunerii, este posibil să se calculeze intensitatea câmpului creat de mai multe sarcini punctiforme. Cu toate acestea, pentru taxele extinse aplicarea principiului suprapunerii este dificilă. O metodă de calcul a câmpurilor create de încărcături extinse a fost propusă de omul de știință german Gauss la începutul secolului al XIX-lea.

Teorema lui Gauss pentru câmpul electrostatic în vid.

Să luăm în considerare câmpul unei sarcini punctiforme în vid și să calculăm raza sferei prin suprafață

Intensitatea câmpului în orice punct de pe suprafața sferei

Electricitatea ne înconjoară din toate părțile. Dar cândva nu era cazul. Pentru că cuvântul în sine provine din numele grecesc pentru un anumit material: „electron”, în greacă, „chihlimbar”. Ei au efectuat experimente interesante cu el, similare trucurilor magice. Oamenii au iubit întotdeauna minunile, dar aici tot felul de pete de praf, vilozități, fire, fire de păr au început să fie atrase de o bucată de chihlimbar, de îndată ce era frecată cu o bucată de pânză. Adică, această piatră aurie nu are mici „mânere”, dar poate ridica puf.

In contact cu

Colegi de clasa

Acumularea de energie electrică și cunoștințe despre aceasta

Acumularea vizibilă de electricitate a avut loc și atunci când au pus meșteșuguri din chihlimbar: margele de chihlimbar, agrafe de păr de chihlimbar. Nu există alte explicații decât magie evidentă, nu putea fi niciunul. La urma urmei, pentru ca trucul să aibă succes, a fost necesar să sortați mărgelele exclusiv cu mâini curate, uscate și stând în haine curate. Iar părul curat, bine frecat cu un ac de păr, dă ceva frumos și înspăimântător: un halou de păr care iese în sus. Și chiar trosnind. Și chiar și în întuneric sunt fulgerări. Aceasta este acțiunea unui spirit care este pretențios și capricios, precum și înfricoșător și de neînțeles. Dar a sosit momentul, iar fenomenele electrice au încetat să mai fie teritoriul spiritului.

Au început să numească totul pur și simplu „interacțiune”. Atunci am început să experimentăm. Au venit cu o mașină specială pentru aceasta (mașină electroforică) și un borcan pentru stocarea energiei electrice (borcanul Leyden). Și un dispozitiv care ar putea deja să arate ceva „egal-mai-mai puțin” în raport cu electricitatea (electroscop). Rămâne doar să explicăm totul cu ajutorul limbajului din ce în ce mai puternic al formulelor.

Astfel, omenirea a venit cu nevoia de a recunoaște prezența unei anumite sarcini electrice în natură. De fapt, titlul nu conține nicio descoperire. Mijloace electrice asociate cu fenomene al cărui studiu a început cu magia chihlimbarului. Cuvântul „încărcare” vorbește doar despre posibilități vagi încorporate într-un obiect, ca o ghiulea de tun. Este clar că electricitatea poate fi produsă și stocată cumva. Și cumva trebuie măsurat. La fel ca o substanță obișnuită, de exemplu, uleiul.

Și, prin analogie cu substanțele, despre care cele mai mici particule (atomi) au fost vorbite cu încredere din vremea lui Democritși a decis că acuzația trebuie să conțină cu siguranță din „corpuscule” foarte mici - corpuri. Numărul cărora într-un corp încărcat mare va da cantitatea de sarcină electrică.

Sarcina electrică - legea conservării sarcinii

Desigur, la acea vreme ei nici măcar nu și-au putut imagina aproximativ câte astfel de „corpuscule” electrice ar putea apărea chiar și într-un corp încărcat foarte mic. Dar mai era nevoie de o unitate practică de încărcare electrică. Și au început să o inventeze. Pandantivul, după care a fost numită ulterior o astfel de unitate, se pare că măsura mărimea sarcinilor folosind bile metalice cu care a efectuat experimente, dar într-un fel relativ. Mi-a deschis celebra lege a lui Coulomb, în care scria algebric că forța care acționează între două sarcini q1 și q2 separate de o distanță R este proporțională cu produsul lor și invers proporțională cu pătratul distanței dintre ele.

Coeficient k depinde de mediul în care are loc interacțiunea, dar în vid este egală cu unitatea.

Probabil, după Kepler și Newton, să faci astfel de lucruri nu a fost atât de dificil. Distanța este ușor de măsurat. El a împărțit încărcăturile fizic, atingând o minge la alta. S-a dovedit că pe două bile identice, dacă una este încărcată și cealaltă nu, la contact încărcarea este împărțită în jumătate - se împrăștie pe ambele bile. Astfel, a primit valori fracționale ale cantității inițiale necunoscute q.

Studiu interacțiunea sarcinilor electrice, a făcut măsurători la diferite distanțe între bile, a înregistrat abaterile pe balanțele sale de torsiune, care se obțin atunci când bilele încărcate se resping între ele. Aparent, legea sa a fost o victorie pură pentru algebră, deoarece Coulomb însuși nu cunoștea unitatea de măsură a sarcinii „coulomb” și pur și simplu nu o putea ști.

O altă victorie a fost descoperirea faptului că cantitatea totală a aceleiași cantități q din bilele pe care a putut să le încarce în acest fel a rămas întotdeauna neschimbată. De aceea a numit legea deschisă legea conservării sarcinii.

Q = q 1 + q 2 + q 3 + … + q n

Trebuie să aducem un omagiu acurateței și răbdării omului de știință, precum și curajului cu care și-a proclamat legile, fără a avea o unitate a sumei a ceea ce a studiat.

O particulă de electricitate - sarcină minimă

Abia mai târziu și-au dat seama că sarcina electrică elementară, adică cea mai mică, este... un electron. Numai că nu o bucată mică de chihlimbar, ci o particulă inexprimabil de mică care nici măcar nu este o substanță (aproape), dar care este prezentă în mod necesar în orice corp material. Și chiar în fiecare atom al fiecărei substanţe. Și nu numai în atomi, ci și în jurul lor. Si acelea:

care se găsesc în atomi se numesc electroni legați.
iar cei din jur sunt electroni liberi.

Electronii sunt legați într-un atom, deoarece nucleul atomic conține și particule de sarcină - protoni și fiecare proton va atrage cu siguranță un electron către sine. Doar conform legii lui Coulomb.

Iar taxa pe care o puteți vedea sau simți rezultă din:

frecare,
economii, acumulare
reactie chimica,
inductie electromagnetica,

constau numai din electroni liberi care au fost ejectați din atomi din cauza diferitelor neînțelegeri:

de a fi lovit de un alt atom (emisie termică)
cuantumul luminii (fotoemisie) și din alte motive

și rătăcirea în interiorul corpurilor macroscopice uriașe (de exemplu, firele de păr).

Pentru electroni, corpurile obiectelor noastre sunt cu adevărat uriașe. O unitate de sarcină (coulomb) conține aproximativ această cantitate de electroni: puțin peste 624.150.912.514.351.000. Sună așa: 624 cvadrilioane 150 trilioane 912 miliarde 514 milioane 351 mii de electroni într-un coulomb de sarcină electrică.

Iar pandantivul este o cantitate foarte simpla si apropiata de noi. Un coulomb este aceeași sarcină ca curge într-o secundă prin secțiunea transversală a unui conductor dacă curentul din acesta are o forță de un amper. Adică, la 1 amper, pentru fiecare secundă, doar acești 624 de cvadrilioane... electroni vor pâlpâi prin secțiunea transversală a firului.

Electronii sunt atât de mobili și se mișcă atât de repede în corpurile fizice încât ne aprind becul într-o clipă, de îndată ce apăsăm comutatorul. Și de aceea interacțiunea noastră electrică este atât de rapidă încât evenimentele numite „recombinare” au loc în fiecare secundă. Electronul scăpat găsește atomul din care tocmai a scăpat electronul și ocupă un spațiu liber în el.

Numărul de astfel de evenimente pe secundă este și el de ordinul... ei bine, toată lumea își imaginează deja asta. Și aceste evenimente se repetă continuu atunci când electronii părăsesc atomi și apoi revin la atomi. Ei fug și se întorc. Aceasta este viața lor, fără ea pur și simplu nu pot exista. Și numai datorită acestui fapt, electricitatea există - acel sistem care a devenit parte din viața noastră, confortul nostru, nutriția și conservarea noastră.

Direcția curentului. Cine se ocupă de sarcina noastră?

Acesta este singurul lucru rămas este o mică curiozitate pe care toată lumea o știe, dar niciunul dintre fizicieni nu vrea să o corecteze.

Când Coulomb a făcut feste cu mingile lui, au văzut că există două tipuri de încărcări. Și încărcăturile de același tip se resping reciproc, iar sarcinile de diferite tipuri se atrag reciproc. Era firesc să le numesc pe unele dintre ele pozitive și altele negative. Și să presupunem că curentul electric curge de unde este mai mult până acolo unde este mai puțin. Adică de la plus la minus. Așa că a rămas în mintea fizicienilor de multe generații.

Dar atunci nu electronii, ci ionii au fost descoperiți primii. Aceștia sunt tocmai acei atomi inconsolabili care și-au pierdut electronii. În nucleul căruia există un proton „în plus” și, prin urmare, sunt încărcați. Ei bine, când au descoperit asta, au oftat imediat și au spus - iată-l, ești acuzația noastră pozitivă. Și protonul a câștigat reputația de particule încărcate pozitiv.

Și apoi și-au dat seama că atomii sunt cel mai adesea neutri, deoarece sarcina electrică a nucleului este echilibrată de sarcina învelișurilor de electroni care se rotesc în jurul nucleului. Adică au construit un model planetar al atomului. Și abia atunci au înțeles că atomii alcătuiesc toată (aproape) materia, rețeaua ei cristalină solidă sau întreaga masă a corpului său lichid. Adică, protonii cu neutroni stau solid în nucleele atomilor. Și nu la voia voastră, precum electronii lumini și mobili. În consecință, curentul nu trece de la plus la minus, ci, dimpotrivă, de la minus la plus.

Cuvântul electricitate provine din numele grecesc pentru chihlimbar - ελεκτρον .
Chihlimbarul este rășina fosilizată a coniferelor. Anticii au observat că dacă freci chihlimbarul cu o bucată de pânză, acesta va atrage obiecte ușoare sau praf. Acest fenomen, pe care astăzi îl numim electricitate statică, poate fi observat frecând cu o cârpă o tijă de ebonită sau de sticlă sau pur și simplu o riglă de plastic.

O riglă de plastic, care a fost frecată bine cu un șervețel de hârtie, atrage bucăți mici de hârtie (Fig. 22.1). Este posibil să fi văzut descărcări de electricitate statică în timp ce vă pieptănați sau vă scoateți bluza sau cămașa de nailon. Este posibil să fi suferit un șoc electric când ați atins mânerul metalic al ușii după ce v-ați ridicat de pe scaunul auto sau ați mers pe covor sintetic. În toate aceste cazuri, obiectul capătă o sarcină electrică prin frecare; ei spun că electrificarea are loc prin frecare.

Sunt toate sarcinile electrice la fel sau există tipuri diferite? Se dovedește că există două tipuri de sarcini electrice, care pot fi dovedite prin următorul experiment simplu. Agățați o riglă de plastic de mijloc pe un fir și frecați-o bine cu o bucată de cârpă. Dacă aducem acum o altă riglă electrificată, vom constata că riglele se resping reciproc (Fig. 22.2, a).
La fel, aducând o altă tijă de sticlă electrificată la una, vom observa respingerea acestora (Fig. 22.2,6). Dacă o tijă de sticlă încărcată este adusă la o riglă de plastic electrificată, acestea vor fi atrase (Fig. 22.2, c). Rigla pare să aibă un alt tip de încărcare decât tija de sticlă.
S-a stabilit experimental că toate obiectele încărcate sunt împărțite în două categorii: fie sunt atrase de plastic și respinse de sticlă, fie, dimpotrivă, respinse de plastic și atrase de sticlă. Se pare că există două tipuri de încărcături, încărcăturile de același fel se resping și sarcinile de diferite tipuri se atrag. Spunem că încărcăturile asemănătoare se resping, iar sarcinile spre deosebire se atrag.

Omul de stat, filozoful și omul de știință american Benjamin Franklin (1706-1790) a numit aceste două tipuri de sarcini pozitive și negative. Nu avea absolut nicio diferență ce tarif să sune;
Franklin a propus ca sarcina unei baghete de sticlă electrificată să fie considerată pozitivă. În acest caz, sarcina care apare pe rigla de plastic (sau chihlimbar) va fi negativă. Acest acord este respectat și astăzi.

Teoria lui Franklin despre electricitate a fost de fapt un concept de „un fluid”: o sarcină pozitivă a fost văzută ca un exces al „fluidului electric” față de conținutul său normal dintr-un obiect dat, iar o sarcină negativă ca o deficiență. Franklin a susținut că atunci când, ca urmare a unui proces, o anumită sarcină apare într-un corp, aceeași cantitate de sarcină de tip opus apare simultan într-un alt corp. Denumirile „pozitiv” și „negativ” ar trebui, așadar, înțelese în sens algebric, astfel încât sarcina totală dobândită de corpuri în orice proces să fie întotdeauna egală cu zero.

De exemplu, atunci când o riglă din plastic este frecată cu un șervețel de hârtie, rigla capătă o sarcină negativă, iar șervețelul capătă o sarcină pozitivă egală. Există o separare a sarcinilor, dar suma lor este zero.
Acest exemplu ilustrează bine stabilit legea conservării sarcinii electrice, care scrie:

Sarcina electrică totală rezultată din orice proces este zero.

Abateri de la această lege nu au fost niciodată observate, de aceea putem considera că este la fel de ferm stabilită precum legile conservării energiei și impulsului.

Sarcini electrice în atomi

Abia în secolul trecut a devenit clar că motivul existenței sarcinii electrice se află în atomii înșiși. Mai târziu vom discuta mai detaliat structura atomului și dezvoltarea ideilor despre acesta. Aici vom discuta pe scurt principalele idei care ne vor ajuta să înțelegem mai bine natura electricității.

Conform conceptelor moderne, un atom (oarecum simplificat) constă dintr-un nucleu greu încărcat pozitiv, înconjurat de unul sau mai mulți electroni încărcați negativ.
În stare normală, sarcinile pozitive și negative dintr-un atom sunt egale ca mărime, iar atomul în ansamblu este neutru din punct de vedere electric. Cu toate acestea, un atom poate pierde sau câștiga unul sau mai mulți electroni. Apoi sarcina sa va fi pozitivă sau negativă, iar un astfel de atom se numește ion.

Într-un solid, nucleele pot vibra, rămânând în apropierea pozițiilor fixe, în timp ce unii electroni se mișcă complet liber. Electrificarea prin frecare poate fi explicată prin faptul că în diferite substanțe nucleele dețin electroni cu forțe diferite.
Când o riglă de plastic care este frecata cu un șervețel de hârtie capătă o sarcină negativă, aceasta înseamnă că electronii din șervețelul de hârtie sunt ținuți mai puțin strâns decât în plastic, iar unii dintre ei se transferă de la șervețel la riglă. Sarcina pozitivă a șervețelului este egală ca mărime cu sarcina negativă dobândită de riglă.

În mod obișnuit, obiectele electrizate prin frecare păstrează o sarcină doar pentru o perioadă și în cele din urmă revin la o stare neutră din punct de vedere electric. Unde se duce taxa? Se „se scurge” pe moleculele de apă conținute în aer.
Cert este că moleculele de apă sunt polare: deși în general sunt neutre din punct de vedere electric, sarcina din ele nu este distribuită uniform (Fig. 22.3). Prin urmare, electronii în exces de la rigla electrificată se vor „scurge” în aer, fiind atrași de regiunea încărcată pozitiv a moleculei de apă.
Pe de altă parte, sarcina pozitivă a obiectului va fi neutralizată de electroni, care sunt slab menținuți de moleculele de apă din aer. Pe vreme uscată, influența electricității statice este mult mai vizibilă: există mai puține molecule de apă în aer și încărcarea nu curge la fel de repede. Pe vreme umedă și ploioasă, articolul nu își poate menține încărcarea mult timp.

Izolatoare și conductori

Să fie două bile de metal, dintre care una este foarte încărcată, iar cealaltă este neutră din punct de vedere electric. Dacă le conectăm cu, să zicem, un cui de fier, bila neîncărcată va dobândi rapid o încărcare electrică. Dacă atingem simultan ambele mingi cu un băț de lemn sau o bucată de cauciuc, atunci mingea, care nu avea încărcare, va rămâne neîncărcată. Substante precum fierul sunt numite conductoare de electricitate; lemnul și cauciucul sunt numite neconductori sau izolatori.

Metalele sunt în general buni conductori; Majoritatea celorlalte substanțe sunt izolatoare (cu toate acestea, izolatorii conduc puțin electricitatea). Interesant este că aproape toate materialele naturale se încadrează într-una dintre aceste două categorii radical diferite.
Există totuși substanțe (dintre care trebuie menționate siliciul, germaniul și carbonul) care aparțin unei categorii intermediare (dar și puternic separate). Se numesc semiconductori.

Din punctul de vedere al teoriei atomice, electronii din izolatori sunt legați de nuclee foarte strâns, în timp ce în conductori mulți electroni sunt legați foarte slab și se pot mișca liber în interiorul substanței.
Când un obiect încărcat pozitiv este apropiat de un conductor sau atinge un conductor, electronii liberi se deplasează rapid spre sarcina pozitivă. Dacă un obiect este încărcat negativ, atunci electronii, dimpotrivă, tind să se îndepărteze de el. În semiconductori sunt foarte puțini electroni liberi, iar în izolatori practic lipsesc.

Sarcina indusa. Electroscop

Să aducem un obiect metalic încărcat pozitiv la un alt obiect metalic (neutru).

La contact, electronii liberi ai unui obiect neutru vor fi atrași de unul încărcat pozitiv și unii dintre ei se vor transfera la acesta. Deoarece celui de-al doilea obiect îi lipsește acum un anumit număr de electroni încărcați negativ, acesta capătă o sarcină pozitivă. Acest proces se numește electrificare datorită conductivității electrice.

Să aducem acum obiectul încărcat pozitiv mai aproape de tija metalică neutră, dar astfel încât să nu se atingă. Deși electronii nu vor părăsi tija metalică, ei se vor deplasa totuși către obiectul încărcat; o sarcină pozitivă va apărea la capătul opus al tijei (Fig. 22.4). În acest caz, se spune că o sarcină este indusă (sau indusă) la capetele tijei metalice. Desigur, nu apar sarcini noi: sarcinile pur și simplu s-au separat, dar în general tija a rămas neutră din punct de vedere electric. Cu toate acestea, dacă ar fi acum să tăiem tija în cruce în mijloc, am obține două obiecte încărcate - unul cu o sarcină negativă, celălalt cu o sarcină pozitivă.

De asemenea, puteți transmite o încărcare unui obiect metalic conectându-l cu un fir la pământ (sau, de exemplu, la o conductă de apă care intră în pământ), așa cum se arată în Fig. 22.5, a. Se spune că subiectul este întemeiat. Datorită dimensiunilor sale enorme, pământul acceptă și renunță la electroni; acţionează ca un rezervor de încărcare. Dacă aduceți un obiect încărcat, să zicem, negativ, aproape de metal, atunci electronii liberi ai metalului vor fi respinși și mulți vor merge de-a lungul firului în pământ (Fig. 22.5,6). Metalul va fi încărcat pozitiv. Dacă acum deconectați firul, o sarcină indusă pozitivă va rămâne pe metal. Dar dacă faceți acest lucru după ce obiectul încărcat negativ este îndepărtat din metal, atunci toți electronii vor avea timp să se întoarcă înapoi și metalul va rămâne neutru din punct de vedere electric.

Un electroscop (sau electrometru simplu) este folosit pentru a detecta sarcina electrică.

După cum se poate observa din fig. 22.6, constă dintr-un corp, în interiorul căruia se află două frunze mobile, adesea din aur. (Uneori doar o singură frunză se face mobilă.) Frunzele sunt montate pe o tijă metalică, care este izolată de corp și se termină la exterior cu o bilă de metal. Dacă aduceți un obiect încărcat aproape de minge, în tijă are loc o separare a sarcinilor (Fig. 22.7, a), frunzele se dovedesc a fi încărcate în mod similar și se resping unele pe altele, așa cum se arată în figură.

Puteți încărca complet tija datorită conductivității electrice (Fig. 22.7, b). În orice caz, cu cât sarcina este mai mare, cu atât frunzele diverg mai mult.

Rețineți, totuși, că semnul sarcinii nu poate fi determinat în acest fel: o sarcină negativă va separa frunzele exact la aceeași distanță ca o sarcină pozitivă egală. Și totuși, un electroscop poate fi folosit pentru a determina semnul sarcinii; pentru aceasta, tijei trebuie să primească mai întâi, să zicem, o sarcină negativă (Fig. 22.8, a). Dacă aduceți acum un obiect încărcat negativ la bila electroscopului (Fig. 22.8,6), atunci electroni suplimentari se vor deplasa către frunze și se vor depărta și mai mult. Dimpotrivă, dacă bilei i se aduce o sarcină pozitivă, atunci electronii se vor îndepărta de frunze și se vor apropia (Fig. 22.8, c), deoarece sarcina lor negativă va scădea.

Electroscopul a fost utilizat pe scară largă la începutul ingineriei electrice. Electrometrele moderne foarte sensibile funcționează pe același principiu atunci când folosesc circuite electronice.

Această publicație se bazează pe materiale din cartea lui D. Giancoli. „Fizica în două volume” 1984 Volumul 2.

Va urma. Pe scurt despre următoarea publicație:

Forta F, cu care un corp încărcat acționează asupra altui corp încărcat, este proporțional cu produsul sarcinilor lor Q 1 și Q 2 și invers proporțional cu pătratul distanței rîntre ele.

Comentariile și sugestiile sunt acceptate și binevenite!

Rezumat despre inginerie electrică

Completat de: Agafonov Roman

Colegiul Agro-Industrial Luga

Este imposibil să oferim o scurtă definiție a taxei care să fie satisfăcătoare din toate punctele de vedere. Suntem obișnuiți să găsim explicații înțelese pentru formațiuni și procese foarte complexe precum atomul, cristalele lichide, distribuția moleculelor după viteză etc. Dar conceptele cele mai elementare, fundamentale, indivizibile în altele mai simple, lipsite, conform științei de astăzi, de orice mecanism intern, nu mai pot fi explicate pe scurt într-un mod satisfăcător. Mai ales dacă obiectele nu sunt percepute direct de simțurile noastre. La aceste concepte fundamentale se referă sarcina electrică.

Să încercăm mai întâi să aflăm nu ce este o sarcină electrică, ci ce se ascunde în spatele afirmației: acest corp sau particulă are o sarcină electrică.

Știți că toate corpurile sunt construite din particule minuscule, indivizibile în particule mai simple (din câte știe acum știința), care sunt, prin urmare, numite elementare. Toate particulele elementare au masă și datorită acestui fapt sunt atrase unele de altele. Conform legii gravitației universale, forța de atracție scade relativ lent pe măsură ce distanța dintre ele crește: invers proporțional cu pătratul distanței. În plus, majoritatea particulelor elementare, deși nu toate, au capacitatea de a interacționa între ele cu o forță care scade, de asemenea, invers proporțional cu pătratul distanței, dar această forță este de un număr imens de ori mai mare decât forța gravitațională. . Astfel, în atomul de hidrogen, prezentat schematic în figura 1, electronul este atras de nucleu (proton) cu o forță de 1039 de ori mai mare decât forța de atracție gravitațională.

Dacă particulele interacționează între ele cu forțe care scad lent odată cu creșterea distanței și sunt de multe ori mai mari decât forțele gravitației, atunci se spune că aceste particule au o sarcină electrică. Particulele în sine sunt numite încărcate. Există particule fără sarcină electrică, dar nu există sarcină electrică fără particulă.

Interacțiunile dintre particulele încărcate se numesc electromagnetice. Când spunem că electronii și protonii sunt încărcați electric, înseamnă că sunt capabili de interacțiuni de un anumit tip (electromagnetice) și nimic mai mult. Lipsa de încărcare a particulelor înseamnă că nu detectează astfel de interacțiuni. Sarcina electrică determină intensitatea interacțiunilor electromagnetice, la fel cum masa determină intensitatea interacțiunilor gravitaționale. Sarcina electrică este a doua (după masă) cea mai importantă caracteristică a particulelor elementare, care determină comportamentul lor în lumea înconjurătoare.

Prin urmare

Sarcina electrică este o mărime scalară fizică care caracterizează proprietatea particulelor sau a corpurilor de a intra în interacțiuni de forță electromagnetică.

Sarcina electrică este simbolizată de literele q sau Q.

La fel cum în mecanică este adesea folosit conceptul de punct material, ceea ce face posibilă simplificarea semnificativă a soluționării multor probleme, atunci când se studiază interacțiunea sarcinilor, conceptul de sarcină punctuală este eficient. O sarcină punctiformă este un corp încărcat ale cărui dimensiuni sunt semnificativ mai mici decât distanța de la acest corp până la punctul de observație și alte corpuri încărcate. În special, dacă vorbesc despre interacțiunea a două sarcini punctuale, ei presupun astfel că distanța dintre cele două corpuri încărcate luate în considerare este semnificativ mai mare decât dimensiunile lor liniare.

Sarcina electrică a unei particule elementare nu este un „mecanism” special în particulă care ar putea fi îndepărtată din ea, descompusă în părțile sale componente și reasamblată. Prezența unei sarcini electrice pe un electron și alte particule înseamnă doar existența anumitor interacțiuni între ele.

În natură există particule cu sarcini de semne opuse. Sarcina unui proton se numește pozitivă, iar sarcina unui electron se numește negativă. Semnul pozitiv al unei sarcini pe o particulă nu înseamnă, desigur, că are avantaje speciale. Introducerea sarcinilor a două semne exprimă pur și simplu faptul că particulele încărcate se pot atrage și respinge. Dacă semnele de sarcină sunt aceleași, particulele se resping, iar dacă semnele de încărcare sunt diferite, se atrag.

În prezent, nu există o explicație pentru motivele existenței a două tipuri de sarcini electrice. În orice caz, nu se găsesc diferențe fundamentale între sarcinile pozitive și negative. Dacă semnele sarcinilor electrice ale particulelor s-ar schimba în sens opus, atunci natura interacțiunilor electromagnetice din natură nu s-ar schimba.

Sarcinile pozitive și negative sunt foarte bine echilibrate în Univers. Și dacă Universul este finit, atunci sarcina sa electrică totală este, după toate probabilitățile, egală cu zero.

Cel mai remarcabil lucru este că sarcina electrică a tuturor particulelor elementare este strict aceeași ca mărime. Există o sarcină minimă, numită elementară, pe care o posedă toate particulele elementare încărcate. Sarcina poate fi pozitivă, ca un proton, sau negativă, ca un electron, dar modulul de sarcină este același în toate cazurile.

Este imposibil să separați o parte a sarcinii, de exemplu, de un electron. Acesta este poate cel mai surprinzător lucru. Nicio teorie modernă nu poate explica de ce sarcinile tuturor particulelor sunt aceleași și nu este capabilă să calculeze valoarea sarcinii electrice minime. Se determină experimental folosind diverse experimente.

În anii 1960, după ce numărul de particule elementare nou descoperite a început să crească alarmant, s-a emis ipoteza că toate particulele care interacționează puternic sunt compozite. Mai multe particule fundamentale au fost numite quarci. Ceea ce a fost izbitor a fost că quarcii ar trebui să aibă o sarcină electrică fracționată: 1/3 și 2/3 din sarcina elementară. Pentru a construi protoni și neutroni sunt suficiente două tipuri de quarci. Iar numărul lor maxim, aparent, nu depășește șase.

Este imposibil să se creeze un standard macroscopic al unei unități de sarcină electrică, similar cu standardul de lungime - un metru, din cauza scurgerii inevitabile de sarcină. Ar fi firesc să luăm sarcina unui electron ca una (acest lucru se face acum în fizica atomică). Dar pe vremea lui Coulomb, existența electronilor în natură nu era încă cunoscută. În plus, sarcina electronului este prea mică și, prin urmare, greu de utilizat ca standard.

În Sistemul Internațional de Unități (SI), unitatea de sarcină, coulombul, se stabilește folosind unitatea de curent:

1 coulomb (C) este sarcina care trece prin secțiunea transversală a unui conductor în 1 s la un curent de 1 A.

O sarcină de 1 C este foarte mare. Două astfel de sarcini la o distanță de 1 km s-ar respinge una pe cealaltă cu o forță puțin mai mică decât forța cu care globul atrage o sarcină care cântărește 1 tonă. Prin urmare, este imposibil să se transmită o sarcină de 1 C unui corp mic (aproximativ de câțiva metri). Respingându-se unele de altele, particulele încărcate nu ar putea rămâne pe un astfel de corp. Nu există alte forțe în natură care ar fi capabile să compenseze repulsia coulombiană în aceste condiții. Dar într-un conductor care este în general neutru, nu este dificil să puneți în mișcare o sarcină de 1 C. Într-adevăr, într-un bec obișnuit cu o putere de 100 W la o tensiune de 127 V, se stabilește un curent care este puțin mai mic de 1 A. În același timp, în 1 s trece prin cruce o sarcină aproape egală cu 1 C. -sectiunea conductorului.

Un electrometru este folosit pentru a detecta și măsura sarcinile electrice. Electrometrul este format dintr-o tijă metalică și un indicator care se poate roti în jurul unei axe orizontale (Fig. 2). Tija cu săgeata este fixată într-un manșon din plexiglas și plasată într-o carcasă cilindrică metalică, închisă cu capace de sticlă.

Principiul de funcționare al electrometrului. Să atingem tija încărcată pozitiv de tija electrometrului. Vom vedea că acul electrometrului deviază cu un anumit unghi (vezi Fig. 2). Rotația săgeții se explică prin faptul că atunci când un corp încărcat intră în contact cu tija electrometrului, sarcinile electrice sunt distribuite de-a lungul săgeții și tijei. Forțele repulsive care acționează între sarcini electrice asemănătoare de pe tijă și indicator determină rotirea indicatorului. Să electrizăm din nou tija de ebonită și să atingem din nou tija electrometrului cu ea. Experiența arată că odată cu creșterea sarcinii electrice pe tijă, unghiul de abatere al săgeții de la poziția verticală crește. În consecință, după unghiul de deviere al acului electrometrului, se poate aprecia valoarea sarcinii electrice transferate tijei electrometrului.

Totalitatea tuturor faptelor experimentale cunoscute ne permite să evidențiem următoarele proprietăți ale încărcăturii:

Există două tipuri de sarcini electrice, numite convențional pozitive și negative. Corpurile încărcate pozitiv sunt cele care acționează asupra altor corpuri încărcate în același mod ca sticla electrificată prin frecare cu mătase. Corpurile care acționează în același mod ca ebonita electrificată prin frecare cu lâna se numesc încărcate negativ. Alegerea numelui „pozitiv” pentru încărcăturile care apar pe sticlă și „negativ” pentru încărcăturile pe ebonită este complet aleatorie.

Taxele pot fi transferate (de exemplu, prin contact direct) de la un corp la altul. Spre deosebire de masa corporală, sarcina electrică nu este o caracteristică integrală a unui corp dat. Același corp în condiții diferite poate avea o încărcătură diferită.

Sarcina electrică este o mărime fizică care caracterizează proprietatea particulelor sau a corpurilor de a intra în interacțiuni de forță electromagnetică. El z. de obicei notate cu literele q sau Q. Totalitatea tuturor faptelor experimentale cunoscute ne permite să tragem următoarele concluzii:

Există două tipuri de sarcini electrice, numite convențional pozitive și negative.

Asemenea sarcinilor se resping, spre deosebire de sarcinile se atrag. Acest lucru dezvăluie, de asemenea, diferența fundamentală dintre forțele electromagnetice și cele gravitaționale. Forțele gravitaționale sunt întotdeauna forțe atractive.

Una dintre legile fundamentale ale naturii este cea stabilită experimental legea conservării sarcinii electrice .

Într-un sistem izolat, suma algebrică a sarcinilor tuturor corpurilor rămâne constantă:

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

Legea conservării sarcinii electrice prevede că într-un sistem închis de corpuri nu pot fi observate procese de creare sau dispariție a sarcinilor de un singur semn.

Din punct de vedere modern, purtătorii de sarcină sunt particule elementare. Toate corpurile obișnuite sunt compuse din atomi, care includ protoni încărcați pozitiv, electroni încărcați negativ și particule neutre - neutroni. Protonii și neutronii fac parte din nucleele atomice, electronii formează învelișul de electroni a atomilor. Sarcinile electrice ale unui proton și ale unui electron sunt exact aceleași ca mărime și egale cu sarcina elementară e.

Într-un atom neutru, numărul de protoni din nucleu este egal cu numărul de electroni din înveliș. Acest număr este numit numar atomic . Un atom al unei substanțe date poate pierde unul sau mai mulți electroni sau poate câștiga un electron în plus. În aceste cazuri, atomul neutru se transformă într-un ion încărcat pozitiv sau negativ.

Sarcina poate fi transferată de la un corp la altul numai în porțiuni care conțin un număr întreg de sarcini elementare. Astfel, sarcina electrică a corpului este cantitate discretă:

Se numesc mărimile fizice care pot lua doar o serie discretă de valori cuantificat . Taxa elementara e este o cuantică (porțiunea cea mai mică) de sarcină electrică. Trebuie remarcat faptul că în fizica modernă a particulelor elementare se presupune existența așa-numiților quarci - particule cu sarcină fracțională și Cu toate acestea, quarcii nu au fost încă observați în stare liberă.

În experimentele comune de laborator, a electrometru - un dispozitiv format dintr-o tijă metalică și un indicator care se poate roti în jurul unei axe orizontale.

Electrometrul este un instrument destul de grosier; nu permite studierea forțelor de interacțiune dintre sarcini. Legea interacțiunii sarcinilor staționare a fost descoperită pentru prima dată de fizicianul francez C. Coulomb în 1785. În experimentele sale, Coulomb a măsurat forțele de atracție și respingere a bilelor încărcate folosind un dispozitiv proiectat de el - o balanță de torsiune (Fig. 1.1.2). ), care s-a remarcat printr-o sensibilitate extrem de ridicată. De exemplu, grinda de echilibru a fost rotită cu 1° sub influența unei forțe de ordinul 10 –9 N.

Ideea măsurătorilor s-a bazat pe presupunerea genială a lui Coulomb că, dacă o minge încărcată este adusă în contact cu exact aceeași minge neîncărcată, atunci sarcina primei va fi împărțită în mod egal între ele. Astfel, a fost indicată o modalitate de a schimba încărcarea mingii de două, trei, etc. În experimentele lui Coulomb, a fost măsurată interacțiunea dintre bile ale căror dimensiuni erau mult mai mici decât distanța dintre ele. Astfel de corpuri încărcate sunt de obicei numite taxe punctuale.

O sarcină punctuală este un corp încărcat ale cărui dimensiuni pot fi neglijate în condițiile acestei probleme.

Există, de asemenea: sarcină liniară t(tau)=dq/dl, lungime l, sarcină dq a firului

Sarcină de suprafață: σ =dq/ds s-aria suprafeței (celulă/m 2)

Sarcina de volum p(ro)=dq/dv (celula/m3)

Forțele de interacțiune se supun celei de-a treia legi a lui Newton: Sunt forțe de respingere cu aceleași semne de sarcini și forțe atractive cu semne diferite (Fig. 1.1.3). Interacțiunea sarcinilor electrice staționare se numește electrostatic sau Coulomb interacţiune. Ramura electrodinamicii care studiază interacțiunea Coulomb se numește electrostatică .

Legea lui Coulomb este valabilă pentru corpurile cu încărcare punctiformă. În practică, legea lui Coulomb este bine îndeplinită dacă dimensiunile corpurilor încărcate sunt mult mai mici decât distanța dintre ele.

Factorul de proporționalitate kîn legea lui Coulomb depinde de alegerea sistemului de unități. În Sistemul Internațional SI, unitatea de sarcină este considerată pandantiv(Cl).

Pandantiv este o sarcină care trece prin secțiunea transversală a unui conductor în 1 s la un curent de 1 A. Unitatea de curent (amperi) în SI este, împreună cu unitățile de lungime, timp și masă unitate de măsură de bază.

Coeficient kîn sistemul SI este de obicei scris ca:

Experiența arată că forțele de interacțiune Coulomb se supun principiului suprapunerii.

Dacă un corp încărcat interacționează simultan cu mai multe corpuri încărcate, atunci forța rezultată care acționează asupra unui corp dat este egală cu suma vectorială a forțelor care acționează asupra acestui corp de la toate celelalte corpuri încărcate.

Principiul suprapunerii este o lege fundamentală a naturii. Cu toate acestea, utilizarea sa necesită o oarecare precauție atunci când vorbim despre interacțiunea corpurilor încărcate de dimensiuni finite (de exemplu, două bile încărcate conducătoare 1 și 2). Dacă o a treia bile încărcată este adusă într-un sistem de două bile încărcate, atunci interacțiunea dintre 1 și 2 se va schimba datorită redistribuirea taxelor.

Principiul suprapunerii prevede că atunci când distribuție dată (fixă) a taxelor pe toate corpurile, forțele de interacțiune electrostatică dintre oricare două corpuri nu depind de prezența altor corpuri încărcate.