Електричний заряд та його види. Фізична сутність електричного заряду

Електричний заряд – фізична величина, що характеризує інтенсивність електромагнітної взаємодії тіл. Сам собою електричний заряд немає, його носієм може бути лише частка речовини.

Основні властивості

1. Подвійність: в природі існують заряди двох знаків, однойменні відштовхуються, притягуються. У зв'язку з цим заряди умовного розділені на позитивні та негативні.

Позитивним названо заряд, яким володіє скляна паличка, потерта об шовк або папір.

Негативний - заряд, яким володіє бурштинова або ебонітова паличка, потерта об хутро або вовну.

2. Квантування: якщо фізична величина набуває лише певних дискретних значень, кажуть, що вона квантується (дискретна). Досвід показує, будь-який електричний заряд квантується, тобто. складається із цілого числа елементарних зарядів.

де = 1,2, ... ціле число; e = 1,6 · 1 -19 Кл - елементарний заряд.

Найменшим (елементарним) негативним зарядом має електрон, позитивним – протон.

1 кулон - заряд, що проходить через поперечний переріз провідника за одну секунду, коли провідником йде постійний струм силою один ампер.

3. Збереження заряду.

Електричні заряди можуть зникати і виникати знову лише парами. У кожній такій парі заряди рівні за величиною та протилежні за знаком. Наприклад, електрон і позитрон під час зустрічі анігілюють, тобто. перетворюються на нейтральні g - фотони, у своїй зникають заряди –e і +e. У ході процесу, званого народженням пари, g - фотон, потрапляючи в поле атомного ядра, перетворюється на пару частинок електрон і позитрон, при цьому виникають заряди +e та -e.

Закон збереження заряду:в ізольованій системі алгебраїчна сума зарядів залишається постійною величиною за всіх змін усередині системи.

Ізольовананазивається система тіл, яка не обмінюється зарядами із зовнішнім середовищем.

4. Інваріантністьзаряду до різних інерційних систем відліку.

Досвід показує, що величина заряду залежить від швидкості руху зарядженого тіла. Один і той самий заряд, виміряний у різних інерційних системах звіту, однаковий.

5. Адитивність: .

Класифікація зарядів.

Залежно від розмірів зарядженого тіла заряди ділять на точкові та протяжні.

· Точковими зарядом називають заряджене тіло, розмірами якого можна знехтувати в умовах даної задачі.

· Протяжним називається заряд тіла, розмірами якого в умовах даного завдання знехтувати не можна. Протяжні заряди поділяються на лінійні, поверхневі та об'ємні.

За здатністю зміщуватися щодо положення рівноваги під впливом зовнішнього ел. поля заряди умовно поділяють на вільні, пов'язані та сторонні.

Вільниминазивають заряди, здатні вільно переміщатися у тілі під впливом зовнішнього ел. поля.

Пов'язаниминазивають заряди, що входять до складу молекул діелектриків, які під дію ел. поля можуть лише зміщуватися зі свого положення рівноваги, але залишити молекулу що неспроможні.

Сторонніминазиваються заряди, що знаходяться на діелектриці, але не входять до складу його молекул.

Закон, якому підпорядковується сила взаємодії точкових зарядів, було встановлено експериментально 1785г. Кулон.

Закон Кулону: сила взаємодії двох нерухомих точкових зарядів прямо пропорційна зарядам, обернено пропорційна квадрату відстані між ними, спрямована вздовж прямої, що з'єднує заряди, і залежить від середовища, в якому вони знаходяться.

де q1, q2 - величини зарядів; r – відстань між зарядами;

8,85 · 1 -12 Кл 2 / (Н · м 2) - електрична постійна,

e – діелектрична проникність середовища.

діелектрична проникність речовини показує, у скільки разів сила взаємодії зарядів у даному діелектрику менша, ніж у вакуумі, вакууму =1, - безрозмірна величина.

Пояснимо причину цього ослаблення, для чого розглянемо заряджену кульку, оточену діелектриком. Поле кульки орієнтує молекули діелектрика, і поверхні діелектрика, що примикає до кульки, з'являються негативні пов'язані заряди.

Поле в будь-якій точці діелектрика будуть створювати дві протилежно заряджені сфери: поверхня кульки, заряджена позитивно, і негативно заряджена поверхня діелектрика, що примикає до неї, при цьому з поля вільних зарядів віднімається поле пов'язаних зарядів, і сумарне поле буде слабшим, ніж поле однієї кулі.

1. Напруженість електростатичного поля. Принцип суперпозиції електричних полів. Потік вектора.

Кожен заряд змінює властивості навколишнього простору – створює у ньому електричне поле.

Електричне поле - одна з форм існування матерії, що оточує електричні заряди. Це поле виявляє себе в тому, що поміщений в якусь його точку електричний заряд виявляється під дією сили.

Уявлення про електричне поле було введено в науку у 30-х роках ХІХ століття англійським вченим Майклом Фарадеєм.

Згідно з Фарадеєм, кожен електричний заряд оточений створеним ним електричним полем, тому такий заряд іноді називають зарядом-джерелом. Заряд, за допомогою якого досліджують поле джерела заряду, називають пробним зарядом.

Щоб сила, що діє на пробний заряд, характеризувала поле в даній точці; пробний заряд має бути точковим.

Точковим зарядомназивають заряджене тіло, розмірами якого можна знехтувати умовах даної завдання, тобто. розміри якого малі порівняно з відстанями до інших тіл, із якими він взаємодіє. При цьому власне електричне поле пробного заряду має бути настільки мало, щоб воно не змінювало поле заряду джерела. Чим менший розмір зарядженого тіла і що слабше його власне полі проти полем заряду - джерела, тим точніше дане заряджене тіло задовольняє умові пробного заряду.

Електричне поле поширюється у вакуумі зі швидкістю с = 3 · 18.

Поле нерухомих електричних зарядів – електростатичне.

Досліджуємо за допомогою пробного заряду поле, яке створюється нерухомим зарядом - джерелом .

Сила, що діє на пробний заряд у цій точці поля, залежить від величини пробного заряду. Якщо брати різні пробні заряди, то й сила, що діє на них у цій точці поля, буде різною.

Однак відношення сили до величини пробного заряду залишається постійним і характеризує саме поле. Це відношення називається напруженістю електричного поля у цій точці.

Напруженість електричного поля- це векторна величина, чисельно рівна силі, з якою поле діє одиничний позитивний пробний заряд у цій точці поля і сонаправленная з цією силою.

Напруженість є основною характеристикою поля і повністю характеризує поле в кожній його точці за величиною та напрямом.

Напруженість поля точкового заряду.

Відповідно до закону Кулона

=

- Напруженість електричного поля точкового заряду на відстані r від цього заряду.

Електричне поле зручно графічно зображати з допомогою картини про силових ліній, чи ліній напруженості.

Лінією напруженостіназивається лінія, дотична до якої у кожній точці збігається у напрямку з вектором напруженості у цій точці.

Лінії напруженості поля, створюваного нерухомими зарядами, завжди починаються і закінчуються на зарядах (або нескінченно) і ніколи не бувають замкнутими. Більш сильне поле зображується щільніше розташованими лініями напруженості. Густота ліній вибирається так, щоб кількість ліній, що пронизують одиницю поверхні майданчика, перпендикулярної до ліній, дорівнює чисельному значенню вектора . Лінії напруженості будь-коли перетинаються, т.к. їхнє перетинання означало б два різних напрямки вектора напруженості поля в одній і тій же точці, що не має сенсу.

Однорідним називається поле, в якому напруженість у всіх точках має одну й ту саму величину та однаковий напрямок. У такому полі силові лінії паралельні і їх щільність скрізь однакова, тобто. вони розташовані на однаковій відстані один від одного.

Принцип суперпозиції.

Якщо електричне поле у ​​цій точці створено кількома зарядами, то напруженість результуючого поля дорівнює векторної сумі напруженостей полів, створених кожним зарядом окремо.

Принцип суперпозиції є досвідченим фактом, справедливим до дуже сильних полів. За цим же законом складаються не тільки статичні, а й електромагнітні поля, що швидко змінюються.

Виділимо у векторному полі певний об'єм, обмежений поверхнею S. Розіб'ємо цю поверхню на елементарні майданчики завбільшки .

Можна ввести до розгляду спрямований елемент поверхні. Направленим елементом поверхні називається вектор, довжина якого дорівнює площі елемента, а напрямок збігається з напрямком нормалі цього елемента. Для замкнутої поверхні береться зовнішня нормаль поверхні. Оскільки вибір напрямку довільний (умовний), його можна направити як в один бік від майданчика, так і в інший, не є справжнім вектором, а псевдовектором.

Спрямований елемент поверхні,

Поверхня елементарна.

Поток вектора напруженості через елементарну поверхню dSназивається скалярний твір

де a- кут між векторами та ,

Еп-проекція на напрямок нормалі.

Підсумувавши потоки через всі елементарні майданчики, на які розбили поверхню S, отримаємо потік вектора через поверхню S.

Потоком вектора через поверхню S називається інтеграл

Для замкнутої поверхні.

Потік вектора - величина алгебри:

Для однорідного поля

Поток вектора напруженості можна дати наочну геометричну інтерпретацію: чисельно дорівнює кількості ліній напруженості, що перетинають цю поверхню.

2. Теорема Гауса для потоку вектора та її застосування для розрахунку полів протяжних зарядів у вакуумі.

Знаючи напруженість поля точкового заряду і використовуючи принцип суперпозиції, можна розрахувати напруженість поля, створеного кількома точковими зарядами. Однак для протяжних зарядів застосування принципу суперпозиції важко. Метод розрахунку полів, створених зарядами, був запропонований німецьким вченим Гаусом на початку 19 століття.

Теорема Гауса для електростатичного поля у вакуумі.

Розглянемо поле точкового заряду у вакуумі та обчислимо через поверхню сфери радіуса

Напруженість поля у будь-якій точці поверхні сфери

Електрика нас оточує з усіх боків. Але колись це було негаразд. Тому що саме слово походить від грецької назви конкретного матеріалу: «електрон», грецькою мовою, «бурштин». З ним проводили цікаві експерименти, схожі на фокуси. Люди завжди любили чудеса, а тут - усілякі порошинки, ворсинки, ниточки, волосинки, починали притягуватися до шматочка бурштину, варто було тільки його потерти клаптиком тканини. Тобто у камінчика цього золотистого ніяких «ручок» маленьких немає, а ворсинки піднімати може.

Однокласники

Накопичення електрики та знань про нього

Зриме накопичення електрики відбувалося і коли одягали він вироби з бурштину: бурштинові намисто, бурштинові шпильки для волосся. Тут уже пояснень, окрім як явної магії, Не могло бути ніяких. Адже щоб фокус вдавався, перебирати намисто треба було виключно чистими сухими руками і сидячи в чистому одязі. І чисте волосся, добре потерте шпилькою, дає щось красиве і страшне: німб шевелюри, що стирчить догори. Та ще потріскування. Та ще й у темряві спалаху. Це ж дія духу, вимогливого і примхливого, як і страшного і незрозумілого. Але настав час, і електричні явища перестали бути територією духу.

Стали все що завгодно називати просто – «взаємодія». Отож тоді й почали експериментувати. Вигадали спеціальну машину для цього (електрофорна машина), і банку для накопичення електрики (лейденська банка). І прилад, який вже міг показувати деяке «рівно-менше» щодо електрики (електроскоп). Залишилось лише все це пояснитиза допомогою мови формул, що набирала силу.

Так, людство додумалося до необхідності усвідомлення наявності у природі якогось електричного заряду. Власне, у назві жодного відкриття немає. Електричний - отже, пов'язаний із явищами, вивчення яких почалося з магії бурштину. Слово «заряд» говорить лише про незрозумілі можливості, закладені у предмет, як ядро ​​в гармату. Просто ясно, що електрику можна якось добувати і накопичувати. І якось ого має вимірюватися. Так само як і звичайна речовина, наприклад, олія.

І, за аналогією з речовинами, про найдрібніші частки яких (атоми), говорили впевнено ще з часів Демокріту, І вирішили, що заряд повинен неодмінно складатися з аналогічних дуже маленьких «корпускул» - тілець. Кількість яких у великому зарядженому тілі дасть величину електричного заряду.

Електричний заряд – закон збереження заряду

Зрозуміло, тоді й приблизно було неможливо уявити, скільки таких електричних «корпускул» може бути хоча б у зовсім невеликому зарядженому тілі. Але практична одиниця електричного заряду була потрібна. І її почали вигадувати. Кулон, на честь когось таку одиницю потім назвали, мабуть вимірював величини зарядів за допомогою металевих кульок, з якими проводив досліди, але якось відносно. Відкрив свій знаменитий закон Кулону, в якому алгебраїчно записав, що сила, що діє між двома, рознесеними на відстань R зарядами q1 і q2, пропорційна їхньому твору і обернено пропорційна квадрату відстані між ними.

Коефіцієнт kзалежить від середовища, в якому відбувається взаємодія, у вакуумі ж він дорівнює одиниці.

Ймовірно, після Кеплера та Ньютона такі речі робити було не так уже й складно. Відстань виміряти легко. Заряди він ділив фізично, торкаючись одними кульками до інших. Виходило, що на двох однакових кульках, якщо одна заряджена, а інша ні, при зіткненні заряд ділиться навпіл - розбігається по обох кульках. Так він отримував дробові значення вихідної невідомої величини q.

Вивчаючи взаємодія електричних зарядівВін робив виміри при різних відстанях між кульками, фіксував відхилення на своїх крутильних вагах, яке при цьому виходять, коли заряджені кульки відштовхуються одна від одної. Мабуть, його закон - то була чиста перемога алгебри, тому що одиниці виміру заряду "кулон" сам Кулон не знав і знати просто не міг.

Іншою перемогою було відкриття того факту, що загальна кількість цієї величини q в кульках, які він зумів зарядити таким способом, залишалося завжди незмінним. За що відкритий закон він назвав законом збереження заряду.

Q = q 1 + q 2 + q 3 + … + q n

Потрібно віддати належне акуратності та терпінню вченого, а також відвагі, з якою він проголосив свої закони, не маючи одиниці кількості того, що вивчав.

Частка електрики – мінімальний заряд

Це вже здогадалися, що елементарним, тобто найменшим, електричним зарядом є… електрон. Тільки не маленький шматочок бурштину, а невимовно мала частка навіть уже не речовини (майже), але яка обов'язково є в будь-якому речовому тілі. І навіть у кожному атомі будь-якої речовини. І не лише в атомах, а й навколо них. І ті:

• що перебувають у атомах, називаються пов'язані електрони.
• а які довкола - вільні електрони.

Пов'язаними в атомі електрони бувають тому, що атомне ядро ​​теж містить частинки заряду – протони, і кожен протон обов'язково притягне до себе електрон. Саме за законом Кулона.

А заряд, який ви можемо бачити чи відчувати, виходить в результаті:

• тертя,
• накопичення,
• хімічної реакції,
• електромагнітної індукції,

складають лише вільні електрони, які були викинуті з атомів через різні непорозуміння:

1. від удару іншого атома (теплова емісія)
2. чи кванта світла (фотоемісія) та з інших причин

і бродять усередині величезних макроскопічних тіл (наприклад, волосин).

Для електронів тіла наших предметів справді величезні. В одній одиниці заряду (кулоні) - електронів міститься приблизно ось скільки: 624150912514351000 з невеликим. Звучить це так: 624 квадрилліони 150 трильйонів 912 мільярдів 514 мільйонів 351 тисяча електронів в одному кулоні електричного заряду.

А кулон, це величина дуже проста і нам близька. Кулон, це той самий заряд, який протікає в одну секунду через переріз провідника, якщо струм у ньому має силу в один ампер. Тобто при 1 ампері за кожну секунду через поперечний переріз тяганини мелькатимуть саме ось ці 624 квадрилліони … електронів.

Електрони настільки рухливі, і так швидко пересуваються всередині фізичних тіл, що включають електричну лампочку в одну мить, як тільки ми натиснемо на вимикач. І тому електрична взаємодія у нас така швидка, що кожної секунди відбуваються події, які називаються «рекомбінація». електрон, Що Втік, знаходить атом, з якого електрон якраз втік, і займає в ньому вільне місце.

Кількість таких подій за секунду теж порядку…, ну, все це вже собі уявляють. І ці події безперервно повторюються, коли електрони залишають атоми, потім атоми повертаються. Тікають - повертаються. Таке їхнє життя, без цього вони просто не можуть існувати. І лише завдяки цьому існує електрика – та система, яка стала частиною нашого життя, нашого комфорту, нашого харчування та збереження.

Напрямок струму. Хто у нас у заряді головний?

Тільки так і залишився один невеликий курйоз, який всі знають, але ніхто з фізиків так і не хоче виправити.

Коли Кулон фокусувався зі своїми кульками, бачили, що заряди бувають двох видів. І заряди одного виду відштовхуються один від одного, а різні заряди притягуються. Природно було назвати одні з них позитивними, а інші негативними. І припустити, що електричний струм тече звідти де більше, туди де менше. Тобто від плюс до мінуса. Так воно і закріпилося в головах фізиків на багато поколінь.

Але знайти потім вдалося першими не електрони, а іони. Це ті самі невтішні атоми, що втратили свій електрон. У ядрі яких є «зайвий» протон, тому вони заряджені. Ну а як це виявили, так одразу і зітхнули, і сказали – ось він, заряд ти наш позитивний. І за протоном так закріпилася слава позитивно зарядженої частки.

А потім здогадалися, що атоми найчастіше бувають нейтральними тому, що електричний заряд ядра врівноважується зарядом електронних оболонок, що обертаються навколо ядра. Тобто збудували планетарну модель атома. І тільки тоді зрозуміли, що атоми становлять все (майже) речовина, його тверді кристалічні грати, або всю масу його рідкого тіла. Тобто протони з нейтронами солідно сидять у ядрах атомів. А не на побігеньках, як легкі та рухливі електрони. Отже, струм біжить не від плюс до мінуса, а навпаки, від мінуса до плюс.

Слово електрика походить від грецької назви бурштину ελεκτρον .
Бурштин - це смола, що скам'яніла, хвойних дерев. Давні помітили, що якщо потерти бурштин шматком тканини, він притягуватиме легкі предмети чи пил. Це явище, яке ми сьогодні називаємо статичною електрикою, можна спостерігати, і натерши тканиною ебонітову або скляну паличку або просто пластмасову лінійку.

Пластмасова лінійка, яку добре потерли паперовою серветкою, притягує дрібні шматочки паперу (рис. 22.1). Розряди статичної електрики ви могли спостерігати, розчісуючи волосся чи знімаючи з себе нейлонову блузку чи сорочку. Не виключено, що ви відчували електричний удар, торкнувшись металевої дверної ручки після того, як встали з сидіння автомобіля або пройшлися синтетичним килимом. У всіх цих випадках об'єкт набуває електричного заряду завдяки тертю; кажуть, що відбувається електризація тертям.

Чи всі електричні заряди однакові чи існують різні види? Виявляється, існує два види електричних набоїв, що можна довести наступним простим досвідом. Підвісимо пластмасову лінійку за середину на нитці і добре потрій її шматком тканини. Якщо тепер піднести до неї іншу наелектризовану лінійку, ми виявимо, що лінійки відштовхують одна одну (рис. 22.2, а).
Так само, піднісши до однієї наелектризованої скляної палички іншу, ми спостерігатимемо їх відштовхування (рис. 22.2,6). Якщо заряджений скляний стрижень піднести до наелектризованої пластмасової лінійки, вони притягнуться (рис. 22.2, в). Лінійка, мабуть, має заряд іншого вигляду, ніж скляна паличка.
Експериментально встановлено, що всі заряджені об'єкти діляться на дві категорії: або вони притягуються пластмасою та відштовхуються склом, або, навпаки, відштовхуються пластмасою та притягуються склом. Існують, мабуть, два види зарядів, причому заряди того самого виду відштовхуються, а заряди різних видів притягуються. Ми говоримо, що однойменні заряди відштовхуються, а різноїменні притягуються.

Американський державний діяч, філософ та вчений Бенджамін Франклін (1706-1790) назвав ці два види зарядів позитивним та негативним. Який заряд як назвати, було зовсім байдуже;
Франклін запропонував вважати заряд наелектризованої скляної палички позитивним. У такому разі заряд, що з'являється на пластмасовій лінійці (або янтарі), буде негативним. Цю угоду дотримуються й донині.

Розроблена Франкліном теорія електрики насправді була концепцією "однієї рідини": позитивний заряд розглядався як надлишок «електричної рідини» проти її нормального вмісту в даному об'єкті, а негативний - як її недолік. Франклін стверджував, що, коли в результаті будь-якого процесу в одному тілі виникає певний заряд, в іншому тілі одночасно виникає така сама кількість заряду протилежного вигляду. Назви "позитивний" і "негативний" слід тому розуміти в сенсі алгебри, так що сумарний заряд, що набуває тілами в якому-небудь процесі, завжди дорівнює нулю.

Наприклад, коли пластмасову лінійку натирають паперовою серветкою, лінійка набуває негативного заряду, а серветка-рівний за величиною позитивний заряд. Відбувається поділ зарядів, але їхня сума дорівнює нулю.
Цим прикладом ілюструється твердо встановлений закон збереження електричного заряду, Який говорить:

Сумарний електричний заряд, що утворюється внаслідок будь-якого процесу, дорівнює нулю.

Відхилень від цього закону ніколи не спостерігалося, тому можна вважати, що він так само твердо встановлений, як і закони збереження енергії та імпульсу.

Електричні заряди в атомах

Лише минулого століття стало ясно, що причина існування електричного заряду криється в самих атомах. Пізніше ми обговоримо будову атома та розвиток уявлень про нього докладніше. Тут коротко зупинимося на основних ідеях, які допоможуть нам краще зрозуміти природу електрики.

За сучасними уявленнями атом (дещо спрощено) складається з важкого позитивно зарядженого ядра, оточеного одним або декількома негативно зарядженими електронами.
У нормальному стані позитивний і негативний заряди в атомі дорівнюють за величиною, і атом в цілому електрично нейтральний. Однак атом може втрачати або набувати одного або кількох електронів. Тоді його заряд буде позитивним або негативним і такий атом називають іоном.

У твердому тілі ядра можуть вагатися, залишаючись поблизу фіксованих положень, тоді як частина електронів рухається абсолютно вільно. Електризацію тертям можна пояснити тим, що у різних речовинах ядра утримують електрони з різною силою.
Коли пластмасова лінійка, яку натирають паперовою серветкою, набуває негативного заряду, це означає, що електрони в паперовій серветці утримуються слабше, ніж у пластмасі, і частина їх переходить із серветки на лінійку. Позитивний заряд серветки дорівнює за величиною негативного заряду, набутого лінійкою.

Зазвичай предмети, наелектризовані тертям, лише деякий час утримують заряд і, зрештою, повертаються в електрично нейтральний стан. Куди зникає заряд? Він «стікає» на молекули води, що містяться в повітрі.
Річ у тім, що молекули води полярні: хоча загалом вони електрично нейтральні, заряд у яких розподілено неоднорідно (рис. 22.3). Тому зайві електрони з наелектризованої лінійки «стікатимуть» у повітря, притягуючись до позитивно зарядженої області молекули води.
З іншого боку, позитивний заряд предмета нейтралізуватиметься електронами, які слабо утримуються молекулами води в повітрі. У суху погоду вплив статичної електрики набагато помітніший: у повітрі міститься менше молекул води і заряд стікає не так швидко. У сиру дощову погоду предмет не може надовго утримати свій заряд.

Ізолятори та провідники

Нехай є дві металеві кулі, одна з яких сильно заряджена, а інша електрично нейтральна. Якщо ми з'єднаємо їх, скажімо, залізним цвяхом, то незаряджена куля швидко придбає електричний заряд. Якщо ж ми одночасно торкнемося обох куль дерев'яною паличкою або шматком гуми, то куля, яка не мала заряду, залишиться незарядженою. Такі речовини як залізо називають провідниками електрики; дерево ж і гуму називають непровідниками, чи ізоляторами.

Метали зазвичай є добрими провідниками; більшість інших речовин ізолятори (втім, і ізолятори трошки проводять електрику). Цікаво, що багато природних матеріалів потрапляють до однієї з цих двох різко різних категорій.
Є, проте, речовини (серед яких слід назвати кремній, германій та вуглець), що належать до проміжної (але теж різко відокремленої) категорії. Їх називають напівпровідниками.

З погляду атомної теорії електрони в ізоляторах пов'язані з ядрами дуже міцно, тоді як у провідниках багато електронів пов'язані дуже слабко і можуть вільно переміщатися всередині речовини.
Коли позитивно заряджений предмет підноситься впритул до провідника або стикається з ним, вільні електрони швидко переміщуються до позитивного заряду. Якщо ж предмет заряджений негативно, то електрони, навпаки, прагнуть відійти від нього. У напівпровідниках вільних електронів дуже мало, а ізоляторах вони практично відсутні.

Індукований заряд. Електроскоп

Піднесемо позитивно заряджений металевий предмет до іншого (нейтрального) металевого предмета.

При зіткненні вільні електрони нейтрального предмета притягнуться до позитивно зарядженого і їх перейде на нього. Оскільки тепер у другого предмета бракує деякої кількості електронів, заряджених негативно, він набуває позитивного заряду. Цей процес називається електризацією за рахунок електропровідності.

Наблизимо тепер позитивно заряджений предмет до нейтрального металевого стрижня, але так, щоб вони не стикалися. Хоча електрони не залишать металевого стрижня, вони перемістяться у напрямку зарядженого предмета; на протилежному кінці стрижня виникне позитивний заряд (рис. 22.4). У такому разі кажуть, що на кінцях металевого стрижня індукується (або наводиться) заряд. Зрозуміло, ніяких нових зарядів немає: сталося просто поділ зарядів, загалом стрижень залишився електрично нейтральним. Однак якби ми тепер розрізали стрижень упоперек посередині, то отримали б два заряджені предмети - один із негативним зарядом, інший із позитивним.

Повідомити металевому предмету заряд можна також, з'єднавши його дротом із землею (або, наприклад, з водопровідною трубою, що йде в землю), як показано на рис. 22.5 а. Предмет, як то кажуть, заземлений. Завдяки своїм величезним розмірам земля приймає та віддає електрони; вона діє як резервуар заряду. Якщо піднести близько до металу заряджений, скажімо, негативно предмет, то вільні електрони металу відштовхуватимуться і багато хто піде по дроту в землю (рис. 22.5,6). Метал виявиться зарядженим позитивно. Якщо від'єднати провід, на металі залишиться позитивний наведений заряд. Але якщо зробити це після того, як негативно заряджений предмет віддалений від металу, всі електрони встигнуть повернутися назад і метал залишиться електрично нейтральним.

Для виявлення електричного заряду використовують електроскоп (або простий електрометр).

Як видно із рис. 22.6, він складається з корпусу, всередині якого знаходяться два рухомі листочки, зроблені нерідко із золота. (Іноді рухомим робиться лише один листочок.) Листочки укріплені на металевому стрижні, який ізольований від корпусу і закінчується зовні металевою кулькою. Якщо піднести заряджений предмет близько до кульки, у стрижні відбувається поділ зарядів (рис. 22.7 а), листочки виявляються однойменно зарядженими і відштовхуються один від одного, як показано на малюнку.

Можна повністю зарядити стрижень з допомогою електропровідності (рис. 22.7, б). У будь-якому випадку чим більше заряд, тим сильніше розходяться листочки.

Зауважимо, проте, що знак заряду в такий спосіб визначити неможливо: негативний заряд розведе листочки точно таку ж відстань, як і рівний йому за величиною позитивний заряд. І все-таки електроскоп можна використовувати визначення знака заряду-для цього стрижню треба повідомити попередньо, скажімо, негативний заряд (рис. 22.8, а). Якщо тепер до кульки електроскопа піднести негативно заряджений предмет (рис. 22.8,6), то додаткові електрони перемістяться до листочків і вони сильніше розсунуться. Навпаки, якщо до кульки піднести позитивний заряд, то електрони перемістяться від листочків і вони зблизяться (мал. 22.8, в), оскільки їх негативний заряд зменшиться.

Електроскоп широко застосовувався на зорі електротехніки. На тому принципі при використанні електронних схем працюють дуже чутливі сучасні електрометри.

Ця публікація складена за матеріалами книги Д. Джанколі. "Фізика у двох томах" 1984 р. Том 2 .

Далі буде. Коротко про наступну публікацію:

Сила F, з якою одне заряджене тіло діє інше заряджене тіло, пропорційна добутку їх зарядів Q 1 та Q 2 і назад пропорційна квадрату відстані rміж ними.

Зауваження та пропозиції приймаються та вітаються!

Реферат з електротехніки

Виконав: Агафонов Роман

Лузький агропромисловий коледж

Дати коротке, задовільне у всіх відносинах визначення заряду неможливо. Ми звикли знаходити зрозумілі нам пояснення складних утворень і процесів на кшталт атома, рідких кристалів, розподілу молекул за швидкостями тощо. А ось найголовніші, фундаментальні поняття, нерозчленовані на простіші, позбавлені, за даними науки на сьогоднішній день, будь-якого внутрішнього механізму, коротко задовільним чином вже не пояснити. Особливо, якщо об'єкти безпосередньо не сприймаються нашими органами почуттів. Саме таких фундаментальних понять належить електричний заряд.

Спробуємо спочатку з'ясувати не що таке електричний заряд, а що ховається за твердженням дане тіло або частка мають електричний заряд.

Ви знаєте, що всі тіла побудовані з найдрібніших, неподільних на простіші (наскільки зараз науці відомо) частинок, які тому називають елементарними. Всі елементарні частинки мають масу і завдяки цьому притягуються одна до одної. Відповідно до закону всесвітнього тяжіння сила тяжіння порівняно повільно зменшується зі збільшенням відстані між ними: назад пропорційно квадрату відстані. Крім того, більшість елементарних частинок, хоча і не всі, мають здатність взаємодіяти один з одним з силою, яка також зменшується пропорційно квадрату відстані, але ця сила у величезне число, раз перевищує силу тяжіння. Так, в атомі водню, схематично зображеному на малюнку 1, електрон притягується до ядра (протону) з силою, що у 1039 разів перевищує силу гравітаційного тяжіння.

Якщо частинки взаємодіють один з одним із силами, які повільно зменшуються зі збільшенням відстані та у багато разів перевищують сили всесвітнього тяжіння, то кажуть, що ці частинки мають електричний заряд. Самі частки називаються зарядженими. Бувають частинки без електричного заряду, але немає електричного заряду без частинки.

Взаємодії між зарядженими частинками звуться електромагнітних. Коли ми говоримо, що електрони та протони електрично заряджені, то це означає, що вони здатні до взаємодій певного типу (електромагнітним), і нічого більше. Відсутність заряду у частинок означає, що подібних взаємодій вона не виявляє. Електричний заряд визначає інтенсивність електромагнітних взаємодій, як маса визначає інтенсивність гравітаційних взаємодій. Електричний заряд – друга (після маси) найважливіша характеристика елементарних частинок, що визначає їхню поведінку в навколишньому світі.

Таким чином

Електричний заряд - це фізична скалярна величина, що характеризує властивість частинок або тіл вступати в електромагнітні силові взаємодії.

Електричний заряд позначається літерами q чи Q.

Подібно до того, як у механіці часто використовується поняття матеріальної точки, що дозволяє значно спростити вирішення багатьох завдань, при вивченні взаємодії зарядів ефективним виявляється уявлення про точковий заряд. Точковий заряд – це таке заряджене тіло, розміри якого значно менші за відстань від цього тіла до точки спостереження та інших заряджених тіл. Зокрема, якщо говорять про взаємодію двох точкових зарядів, то тим самим припускають, що відстань між двома зарядженими тілами, що розглядаються, значно більша за їх лінійні розміри.

Електричний заряд елементарної частинки - це не особливий "механізм" у частинці, який можна було б зняти з неї, розкласти на складові та знову зібрати. Наявність електричного заряду в електрона та інших частинок означає існування певних взаємодій між ними.

У природі є частинки із зарядами протилежних знаків. Заряд протона називається позитивним, а електрона негативним. Позитивний знак заряду в частки не означає, звичайно, наявності у неї особливих переваг. Введення зарядів двох знаків просто висловлює той факт, що заряджені частинки можуть притягуватися, так і відштовхуватися. При однакових знаках заряду частинки відштовхуються, а різних – притягуються.

Жодного пояснення причин існування двох видів електричних зарядів зараз немає. У всякому разі, жодних важливих відмінностей між позитивними та негативними зарядами не виявляється. Якби знаки електричних зарядів частинок змінилися протилежні, то характер електромагнітних взаємодій у природі не змінився б.

Позитивні та негативні заряди дуже добре компенсовані у Всесвіті. І якщо Всесвіт кінцевий, то його повний електричний заряд, ймовірно, дорівнює нулю.

Найбільш чудовим є те, що електричний заряд всіх елементарних частинок строго однаковий за модулем. Існує мінімальний заряд, званий елементарним, який має всі заряджені елементарні частинки. Заряд може бути позитивним, як у протона, або негативним, як у електрона, але модуль заряду завжди один і той же.

Відокремити частину заряду, наприклад, у електрона неможливо. Це, мабуть, найдивовижніше. Ніяка сучасна теорія неспроможна пояснити, чому заряди всіх частинок однакові, і може обчислити значення мінімального електричного заряду. Воно визначається експериментально з допомогою різних дослідів.

У 60-ті рр., після того як число новостворених елементарних частинок стало загрозливо зростати, була висунута гіпотеза про те, що всі сильно взаємодіючі частинки є складовими. Більше фундаментальні частки були названі кварками. Вражаючим виявилося те, що кварки повинні мати дробовий електричний заряд: 1/3 та 2/3 елементарного заряду. Для побудови протонів та нейтронів достатньо двох сортів кварків. А максимальне їхнє число, мабуть, не перевищує шести.

Створити макроскопічний стандарт одиниці електронного заряду, подібний стандарту довжини - метру, нереально через неминучий витік заряду. Звичайно було б за одиницю прийняти заряд електрона (це зараз і зроблено в атомній фізиці). Але за часів Кулона ще було відомо про існування у природі електрона. Крім того, заряд електрона занадто малий, і тому його важко використовувати як зразок.

У Міжнародній системі одиниць (СІ) одиницю заряду – кулон встановлюють за допомогою одиниці сили струму:

1 кулон (Кл) - це заряд, що проходить за 1 с через поперечний переріз провідника при силі струму 1 А.

Заряд 1 Кл дуже великий. Два таких заряди на відстані 1 км відштовхувалися б один від одного із силою, трохи меншою сили, з якою земна куля притягує вантаж масою в 1 т. Тому повідомити невелике тіло (розміром близько кількох метрів) заряд в 1 Кл неможливо. Відштовхуючись одна від одної, заряджені частинки не змогли б утримуватись на такому тілі. Жодних інших сил, які були б здатні в цих умовах компенсувати кулонівське відштовхування, у природі не існує. Але в провіднику, який загалом нейтральний, привести в рух заряд в 1 Кл не складає великої праці. Адже в звичайній електричній лампочці потужністю 100 Вт при напрузі 127 В встановлюється струм трохи менший 1 А. При цьому за 1 с через поперечний переріз провідника проходить заряд, майже рівний 1 Кл.

Для виявлення та вимірювання електричних зарядів застосовується електрометр. Електрометр складається з металевого стрижня та стрілки, яка може обертатися навколо горизонтальної осі (рис. 2). Стрижень зі стрілкою закріплений у плексигласовій втулці та поміщений у металевий корпус циліндричної форми, закритий скляними кришками.

Принцип роботи електрометрії. Доторкнемося позитивно зарядженою паличкою до стрижня електрометра. Ми побачимо, що стрілка електрометра відхиляється деякий кут (див. рис. 2). Поворот стрілки пояснюється тим, що при дотику зарядженого тіла зі стрижнем електрометра електричні заряди розподіляються за стрілкою та стрижнем. Сили відштовхування, що діють між однойменними електричними зарядами на стрижні та стрілці, викликають поворот стрілки. Наелектризуємо ебонітову паличку ще раз і знову торкнемося нею стрижня електрометра. Досвід показує, що при збільшенні електричного заряду на стрижні кут відхилення стрілки від вертикального положення збільшується. Отже, по кутку відхилення стрілки електрометра можна будувати висновки про значення електричного заряду, переданого стрижню электрометра.

Сукупність всіх відомих експериментальних фактів дозволяє виділити такі властивості заряду:

Існує два роду електричних зарядів, умовно названих позитивними та негативними. Позитивно зарядженими називають тіла, які діють інші заряджені тіла як і, як скло, наэлектризованное тертям про шовк. Негативно зарядженими називають тіла, які діють так само, як ебоніт, наелектризований тертям вовну. Вибір назви "позитивний" для зарядів, що виникають на склі, і "негативний" для зарядів на ебоніті зовсім випадковий.

Заряди можуть передаватися (наприклад, при безпосередньому контакті) від тіла до іншого. На відміну від маси тіла, електричний заряд не є невід'ємною характеристикою даного тіла. Те саме тіло в різних умовах може мати різний заряд.

Електричний заряд - це фізична величина, що характеризує властивість частинок або тіл вступати в електромагнітні силові взаємодії. Ел з. зазвичай позначається буквами q чи Q. Сукупність всіх відомих експериментальних фактів дозволяє зробити такі выводы:

Існує два роду електричних зарядів, умовно названих позитивними та негативними.

Заряди можуть передаватися (наприклад, при безпосередньому контакті) від тіла до іншого. На відміну від маси тіла, електричний заряд не є невід'ємною характеристикою даного тіла. Те саме тіло в різних умовах може мати різний заряд.

Одноіменні заряди відштовхуються, різноіменні – притягуються. У цьому вся також проявляється принципове відмінність електромагнітних сил від гравітаційних. Гравітаційні сили завжди є силами тяжіння.

Одним із фундаментальних законів природи є експериментально встановлений закон збереження електричного заряду .

В ізольованій системі алгебраїчна сума зарядів усіх тіл залишається постійною:

q 1 + q 2 + q 3 + ... +q n= Const.

Закон збереження електричного заряду стверджує, що у замкнутій системі тіл що неспроможні спостерігатися процеси народження чи зникнення зарядів лише однієї знака.

З сучасної точки зору носіями зарядів є елементарні частинки. Усі звичайні тіла складаються з атомів, до складу яких входять позитивно заряджені протони, негативно заряджені електрони та нейтральні частки – нейтрони. Протони та нейтрони входять до складу атомних ядер, електрони утворюють електронну оболонку атомів. Електричні заряди протона і електрона за модулем точно однакові і рівні елементарному заряду e.

У нейтральному атомі число протонів у ядрі дорівнює числу електронів в оболонці. Це число називається атомним номером . Атом цієї речовини може втратити один або кілька електронів або придбати зайвий електрон. У цих випадках нейтральний атом перетворюється на позитивно або негативно заряджений іон.

Заряд може передаватися від одного тіла до іншого лише порціями, що містять цілу кількість елементарних зарядів. Таким чином, електричний заряд тіла – дискретна величина:

Фізичні величини, які можуть набувати лише дискретного ряду значень, називаються квантованими . Елементарний заряд eє квантом (найменшою порцією) електричного заряду. Слід зазначити, що в сучасній фізиці елементарних частинок передбачається існування так званих кварків – частинок з дробовим зарядом і, однак, у вільному стані кварки досі спостерігати не вдалося.

У звичайних лабораторних дослідах для виявлення та вимірювання електричних зарядів використовується електрометр – прилад, що складається з металевого стрижня та стрілки, яка може обертатися навколо горизонтальної осі.

Електрометр є досить грубим приладом; він дозволяє досліджувати сили взаємодії зарядів. Вперше закон взаємодії нерухомих зарядів було відкрито французьким фізиком Ш. Кулоном в 1785 р. У своїх дослідах Кулон вимірював сили тяжіння та відштовхування заряджених кульок за допомогою сконструйованого ним приладу – крутильних ваг (рис. 1.1.2), що відрізнялися надзвичайно високою чутливістю. Так, наприклад, коромисло терезів поверталося на 1° під дією сили порядку 10 -9 Н.

Ідея вимірів ґрунтувалася на блискучій здогадці Кулона про те, що якщо заряджена кулька привести в контакт з такою самою незарядженою, то заряд першого розділиться між ними порівну. Таким чином, був вказаний спосіб змінювати заряд кульки в два, три і т.д. У дослідах Кулона вимірювалася взаємодія між кульками, розміри яких набагато менші за відстань між ними. Такі заряджені тіла прийнято називати точковими зарядами.

Точковим зарядом називають заряджене тіло, розмірами якого в умовах даного завдання можна знехтувати.

Ще бувають:лінійний заряд т(тау)=dq/dl, l-довжина, dq-заряд нитки

Поверхневий заряд: σ = dq/ds s-площа поверхні (кл/м 2)

Об'ємний заряд p(ро)=dq/dv (кл/м3)

Сили взаємодії підпорядковуються третьому закону Ньютона: Вони є силами відштовхування за однакових знаків зарядів і силами тяжіння за різних знаків (рис. 1.1.3). Взаємодія нерухомих електричних зарядів називають електростатичним або кулонівським взаємодією. Розділ електродинаміки, що вивчає кулонівську взаємодію, називають електростатикою .

Закон Кулона є справедливим для точкових заряджених тіл. Практично закон Кулона добре виконується, якщо розміри заряджених тіл набагато менші за відстань між ними.

Коефіцієнт пропорційності kу законі Кулона залежить від вибору системи одиниць. У Міжнародній системі СІ за одиницю заряду прийнято кулон(Кл).

Кулон– це заряд, що проходить за 1 с через поперечний переріз провідника при силі струму 1 А. Одиниця сили струму (ампер) у СІ є поряд з одиницями довжини, часу та маси основною одиницею виміру.

Коефіцієнт kу системі СІ зазвичай записують у вигляді:

Досвід показує, що сили кулонівської взаємодії підпорядковуються принципу суперпозиції.

Якщо заряджене тіло взаємодіє одночасно з декількома зарядженими тілами, то результуюча сила, що діє дане тіло, дорівнює векторній сумі сил, що діють на це тіло з боку інших заряджених тіл.

Принцип суперпозиції є фундаментальним законом природи. Однак, його застосування вимагає певної обережності, у тому випадку, коли йдеться про взаємодію заряджених тіл кінцевих розмірів (наприклад, двох провідних заряджених куль 1 і 2). Якщо до системи з двох заряджених куль піднсти третю заряджену кулю, то взаємодія між 1 і 2 зміниться через перерозподілу зарядів.

Принцип суперпозиції стверджує, що при заданому (фіксованому) розподілі зарядівна всіх тілах сили електростатичної взаємодії між будь-якими двома тілами не залежать від інших заряджених тіл.