Essee sähkötekniikasta

Täydentäjä: Roman Agafonov

Luga Agro-Industrial College

On mahdotonta antaa lyhyttä, kaikilta osin tyydyttävää määritelmää maksusta. Olemme tottuneet löytämään ymmärrettäviä selityksiä hyvin monimutkaisille muodostelmille ja prosesseille, kuten atomi, nestekiteet, molekyylien jakautuminen nopeuksille ja niin edelleen. Mutta kaikkein peruskäsitteitä, jotka ovat jakamattomia yksinkertaisempiin, joilta puuttuu tämän päivän tieteen mukaan sisäinen mekanismi, ei voida selittää lyhyesti tyydyttävällä tavalla. Varsinkin jos esineitä ei suoraan havaita aisteillamme. Sähkövaraus kuuluu sellaisiin peruskäsitteisiin.

Yritetään ensin selvittää, mikä on sähkövaraus, vaan sitä, mikä on kätkettynä väitteen takana, tietyllä kappaleella tai hiukkasella on sähkövaraus.

Tiedät, että kaikki kappaleet on rakennettu pienimmistä, jakamattomista yksinkertaisemmiksi (sikäli kuin tiede on nyt tiedossa) hiukkasiksi, joita siksi kutsutaan alkeiksi. Kaikilla alkuainehiukkasilla on massa ja tästä johtuen ne vetoavat toisiinsa. Universaalin gravitaatiolain mukaan vetovoima pienenee suhteellisen hitaasti niiden välisen etäisyyden kasvaessa: kääntäen verrannollinen etäisyyden neliöön. Lisäksi useimmilla alkuainehiukkasilla, vaikkakaan ei kaikilla, on kyky olla vuorovaikutuksessa toistensa kanssa voimalla, joka myös pienenee käänteisesti etäisyyden neliön kanssa, mutta tämä voima on valtava määrä, kertaa suurempi kuin painovoima. Joten vetyatomissa, joka esitetään kaavamaisesti kuvassa 1, elektroni vetää ytimeen (protoniin) voimalla, joka on 1039 kertaa suurempi kuin vetovoiman vetovoima.

Jos hiukkaset ovat vuorovaikutuksessa toistensa kanssa voimilla, jotka hitaasti pienenevät etäisyyden myötä ja ovat monta kertaa suurempia kuin yleisen gravitaatiovoimat, näillä hiukkasilla sanotaan olevan sähkövaraus. Itse hiukkasia kutsutaan varautuneiksi. On hiukkasia ilman sähkövarausta, mutta ei ole sähkövarausta ilman hiukkasta.

Varautuneiden hiukkasten välisiä vuorovaikutuksia kutsutaan sähkömagneettisiksi. Kun sanomme, että elektronit ja protonit ovat sähköisesti varautuneita, se tarkoittaa, että ne kykenevät tietyntyyppiseen (sähkömagneettiseen) vuorovaikutukseen, eikä mitään muuta. Varauksen puuttuminen hiukkasista tarkoittaa, että se ei havaitse tällaisia ​​​​vuorovaikutuksia. Sähkövaraus määrittää sähkömagneettisten vuorovaikutusten intensiteetin, aivan kuten massa määrittää gravitaatiovuorovaikutusten voimakkuuden. Sähkövaraus on alkuainehiukkasten toiseksi tärkein ominaisuus (massan jälkeen), joka määrää niiden käyttäytymisen ympäröivässä maailmassa.

Täten

Sähkövaraus on fysikaalinen skalaarisuure, joka kuvaa hiukkasten tai kappaleiden kykyä päästä sähkömagneettiseen voimavuorovaikutukseen.

Sähkövaraus on merkitty kirjaimilla q tai Q.

Aivan kuten mekaniikassa käytetään usein materiaalipisteen käsitettä, joka mahdollistaa monien ongelmien ratkaisemisen yksinkertaistamisen merkittävästi, niin varausten vuorovaikutusta tutkittaessa pistevarauksen käsite osoittautuu tehokkaaksi. Pistevaraus on varautunut kappale, jonka mitat ovat paljon pienempiä kuin etäisyys tästä kappaleesta tarkkailupisteeseen ja muihin varautuneisiin kappaleisiin. Erityisesti, jos puhumme kahden pistevarauksen vuorovaikutuksesta, oletamme siten, että kahden tarkasteltavan varautuneen kappaleen välinen etäisyys on paljon suurempi kuin niiden lineaariset mitat.

Alkuainehiukkasen sähkövaraus ei ole erityinen "mekanismi" hiukkasessa, joka voitaisiin poistaa siitä, hajottaa komponenttiosiin ja koota uudelleen. Sähkövarauksen läsnäolo elektronissa ja muissa hiukkasissa tarkoittaa vain tiettyjen vuorovaikutusten olemassaoloa niiden välillä.

Luonnossa on hiukkasia, joiden varaukset ovat vastakkaisia. Protonin varausta kutsutaan positiiviseksi ja elektronin negatiiviseksi. Hiukkasen varauksen positiivinen merkki ei tietenkään tarkoita, että sillä olisi erityisiä etuja. Kahden merkin varausten käyttöönotto ilmaisee yksinkertaisesti sen tosiasian, että varautuneet hiukkaset voivat sekä vetää puoleensa että hylkiä. Hiukkaset, joilla on sama varausmerkki, hylkivät toisiaan ja eri merkein ne vetävät puoleensa.

Kahden tyyppisten sähkövarausten olemassaolon syitä ei ole nyt selitetty. Joka tapauksessa positiivisten ja negatiivisten varausten välillä ei löydy perustavanlaatuisia eroja. Jos hiukkasten sähkövarausten merkit käänteisivät, niin sähkömagneettisten vuorovaikutusten luonne luonnossa ei muuttuisi.

Positiiviset ja negatiiviset varaukset kompensoidaan erittäin hyvin universumissa. Ja jos maailmankaikkeus on äärellinen, niin sen kokonaissähkövaraus on suurella todennäköisyydellä yhtä suuri kuin nolla.

Merkittävin asia on, että kaikkien alkuainehiukkasten sähkövaraus on absoluuttisesti sama. Kaikilla varautuneilla alkuainehiukkasilla on vähimmäisvaraus, jota kutsutaan alkuainehiukkaseksi. Varaus voi olla positiivinen, kuten protoni, tai negatiivinen, kuten elektroni, mutta varausmoduuli on sama kaikissa tapauksissa.

Osa varauksesta on mahdotonta erottaa esimerkiksi elektronista. Tämä on ehkä hämmästyttävin asia. Mikään nykyaikainen teoria ei voi selittää, miksi kaikkien hiukkasten varaukset ovat samat, eikä se voi laskea minimisähkövarauksen arvoa. Se määritetään kokeellisesti erilaisten kokeiden avulla.

1960-luvulla, kun vasta löydettyjen alkuainehiukkasten määrä alkoi kasvaa uhkaavasti, esitettiin hypoteesi, että kaikki vahvasti vuorovaikutuksessa olevat hiukkaset ovat yhdistelmähiukkasia. Perusainehiukkasia kutsuttiin kvarkeiksi. Hämmästyttäväksi osoittautui, että kvarkeilla tulisi olla murto-osainen sähkövaraus: 1/3 ja 2/3 alkeisvarauksesta. Protonien ja neutronien rakentamiseen riittää kahdenlaisia ​​kvarkkeja. Ja niiden enimmäismäärä ei ilmeisesti ylitä kuutta.

Makroskooppista sähkövarausyksikön standardia, joka on samanlainen kuin pituusstandardi - metri, on mahdotonta luoda väistämättömän varausvuodon vuoksi. Olisi luonnollista ottaa elektronin varaus yksikkönä (tätä tehdään nyt atomifysiikassa). Mutta Coulombin aikaan elektronin olemassaolo luonnossa ei ollut vielä tiedossa. Lisäksi elektronin varaus on liian pieni ja siksi vaikea käyttää vertailukohtana.

On olemassa kahdenlaisia ​​sähkövarauksia, joita kutsutaan perinteisesti positiivisiksi ja negatiivisiksi. Positiivisesti varautuneita kappaleita ovat kappaleet, jotka vaikuttavat muihin varautuneisiin kappaleisiin samalla tavalla kuin silkkiä vasten kitkan avulla sähköistetty lasi. Negatiivisesti varautuneita kappaleita ovat kappaleet, jotka toimivat samalla tavalla kuin villan kitkan avulla sähköistetty eboniitti. Nimen "positiivinen" valinta lasista syntyville varauksille ja "negatiivinen" eboniittivarauksille on täysin sattumaa.

Varaukset voidaan siirtää (esimerkiksi suoralla kosketuksella) kehosta toiseen. Toisin kuin kehon massa, sähkövaraus ei ole tietyn kehon luontainen ominaisuus. Samalla keholla eri olosuhteissa voi olla erilainen varaus.

Kuten varaukset hylkivät, toisin kuin varaukset houkuttelevat. Tämä osoittaa myös perustavanlaatuisen eron sähkömagneettisten ja gravitaatiovoimien välillä. Gravitaatiovoimat ovat aina vetovoimaa.

Sähkövarauksen tärkeä ominaisuus on sen diskreetti. Tämä tarkoittaa, että on olemassa pienin, universaali, edelleen jakamaton alkuvaraus, joten minkä tahansa kappaleen varaus q on tämän alkuvarauksen kerrannainen:

,

missä N on kokonaisluku, e on perusvarauksen arvo. Nykyaikaisten käsitteiden mukaan tämä varaus on numeerisesti yhtä suuri kuin elektronin varaus e = 1,6∙10-19 C. Koska alkuainevarauksen suuruus on hyvin pieni, suurimmalle osalle käytännössä havaituista ja käytetyistä varautuneista kappaleista luku N on erittäin suuri, eikä varauksen muutoksen diskreetti ilmene. Siksi uskotaan, että normaaleissa olosuhteissa kappaleiden sähkövaraus muuttuu lähes jatkuvasti.

Sähkövarauksen säilymisen laki.

Suljetun järjestelmän sisällä kaikille vuorovaikutuksille algebrallinen summa sähkövaraukset pysyvät vakiona:

.

Eristetyksi (tai suljetuksi) järjestelmäksi kutsumme kappaleiden järjestelmää, johon ei johdeta sähkövarauksia ulkopuolelta eikä sähkövarauksia poisteta siitä.

Missään eikä koskaan luonnossa samanmerkkinen sähkövaraus nouse ja katoa. Positiivisen sähkövarauksen ilmaantumiseen liittyy aina absoluuttisesti samansuuruinen negatiivinen varaus. Positiivinen tai negatiivinen varaus ei voi kadota erikseen, ne voivat vain neutraloida toisensa, jos ne ovat absoluuttisesti yhtä suuret.

Alkuainehiukkaset voivat siis muuttua toisikseen. Mutta aina varautuneiden hiukkasten syntyessä havaitaan hiukkasparin ilmestyminen päinvastaisen merkin varauksilla. Myös useiden tällaisten parien samanaikainen syntymä voidaan havaita. Varautuneet hiukkaset katoavat muuttuen neutraaleiksi, myös vain pareittain. Kaikki nämä tosiasiat eivät jätä epäilystäkään sähkövarauksen säilymislain tiukasta täytäntöönpanosta.

Syytä sähkövarauksen säilymiseen ei vielä tiedetä.

Kehon sähköistäminen

Makroskooppiset kappaleet ovat pääsääntöisesti sähköisesti neutraaleja. Minkä tahansa aineen atomi on neutraali, koska siinä olevien elektronien lukumäärä on yhtä suuri kuin ytimessä olevien protonien lukumäärä. Positiivisesti ja negatiivisesti varautuneet hiukkaset liittyvät toisiinsa sähkövoimilla ja muodostavat neutraaleja järjestelmiä.

Suuri kappale varautuu, kun se sisältää ylimäärän alkuainehiukkasia, joilla on sama varausmerkki. Kehon negatiivinen varaus johtuu elektronien ylimäärästä protoneihin verrattuna, ja positiivinen varaus johtuu niiden puutteesta.

Sähköisesti varautuneen makroskooppisen kappaleen saamiseksi tai, kuten sanotaan, sähköistämiseksi, on välttämätöntä erottaa osa negatiivisesta varauksesta siihen liittyvästä positiivisesta varauksesta.

Helpoin tapa tehdä tämä on kitkalla. Jos käytät kampaa hiustesi läpi, pieni osa liikkuvimmin varautuneista hiukkasista - elektroneista - siirtyy hiuksista kampaan ja lataa sen negatiivisesti, ja hiukset varautuvat positiivisesti. Kun molemmat kappaleet sähköistetään kitkan vaikutuksesta, ne saavat varaukseltaan vastakkaisia ​​etumerkkejä, mutta identtisiä suuruudeltaan.

Runkojen sähköistäminen kitkan avulla on erittäin helppoa. Mutta selittää, kuinka tämä tapahtuu, se osoittautui erittäin vaikeaksi tehtäväksi.

1 versio. Kappaleita sähköistettäessä niiden välinen tiivis kontakti on tärkeä. Sähkövoimat pitävät elektroneja kehon sisällä. Mutta eri aineille nämä voimat ovat erilaisia. Läheisessä kosketuksessa pieni osa sen aineen elektroneista, joissa elektronien yhteys kehoon on suhteellisen heikko, siirtyy toiseen kappaleeseen. Tällöin elektronien siirtymät eivät ylitä atomien välisten etäisyyksien kokoa (10-8 cm). Mutta jos ruumiit erotetaan, niin ne molemmat joutuvat syytteeseen. Koska kappaleiden pinnat eivät ole koskaan täysin sileitä, siirtymiseen tarvittava tiivis kosketus kappaleiden välillä muodostuu vain pintojen pieniltä alueilta. Kun kappaleet hankaavat toisiaan vasten, läheisessä kosketuksessa olevien alueiden määrä kasvaa ja siten kehosta toiseen siirtyvien varautuneiden hiukkasten kokonaismäärä kasvaa. Mutta ei ole selvää, kuinka elektronit voivat liikkua sellaisissa ei-johtavissa aineissa (eristeissä), kuten eboniitissa, pleksilasissa ja muissa. Ne ovat sitoutuneet neutraaleihin molekyyleihin.

2 versio. Ionikiteen LiF (eriste) esimerkissä tämä selitys näyttää tältä. Kiteen muodostumisen aikana monenlaisia viat, erityisesti vapaat työpaikat - täyttämättömät paikat kidehilan solmuissa. Jos positiivisten litiumionien ja fluorin negatiivisten ionien tyhjien paikkojen määrä ei ole sama, kide varautuu tilavuuden mukaan muodostumisen aikana. Mutta varausta kokonaisuutena ei voida säilyttää kristallissa pitkään. Ilmassa on aina tietty määrä ioneja, ja kide vetää niitä ulos ilmasta, kunnes kiteen varauksen neutraloi sen pinnalla oleva ionikerros. Eri eristimillä avaruusvaraukset ovat erilaisia, ja siksi ionien pintakerrosten varaukset ovat erilaisia. Kitkan aikana ionien pintakerrokset sekoittuvat, ja kun eristeet erotetaan, kukin niistä varautuu.

Ja voivatko kaksi identtistä eristettä sähköistyä kitkan aikana, esimerkiksi samat LiF-kiteet? Jos niillä on samat sisäiset avaruusvaraukset, ei. Mutta niillä voi myös olla erilaiset sisäiset varaukset, jos kiteytysolosuhteet olivat erilaiset ja avoimia paikkoja ilmaantui eri määrä. Kuten kokemus on osoittanut, identtisten rubiinin, meripihkan jne. kiteiden sähköistyminen voi todellakin tapahtua kitkan aikana. Tämä selitys ei kuitenkaan pidä paikkaansa kaikissa tapauksissa. Jos kappaleet koostuvat esimerkiksi molekyylikiteistä, avoimien työpaikkojen ilmaantumisen niihin ei pitäisi johtaa kehon latautumiseen.

Toinen kappaleiden sähköistämismenetelmä on erilaisten säteilyjen (erityisesti ultravioletti-, röntgen- ja y-säteilyn) vaikutus niihin. Tämä menetelmä on tehokkain metallien sähköistykseen, kun elektronit lyövät pois metallin pinnasta säteilyn vaikutuksesta ja johdin saa positiivisen varauksen.

Sähköistyminen vaikuttamisen kautta. Johdin ei lataudu vain koskettaessaan varautuneeseen kappaleeseen, vaan myös silloin, kun se on jonkin matkan päässä. Tutkitaanpa tätä ilmiötä tarkemmin. Riputamme kevyitä paperiarkkeja eristettyyn johtimeen (kuva 3). Jos johdinta ei ole alun perin latautunut, lehdet ovat taipumattomassa asennossa. Lähestytään nyt johdinta eristetyllä metallikuulalla, joka on vahvasti ladattu esimerkiksi lasisauvalla. Näemme, että rungon päissä, pisteissä a ja b, ripustetut levyt taipuvat, vaikka varautunut kappale ei kosketa johtimia. Johtaja varautui vaikutuksen kautta, minkä vuoksi itse ilmiötä kutsuttiin "sähköistymiseksi vaikutuksen kautta" tai "sähköiseksi induktioksi". Sähköinduktiolla saatuja varauksia kutsutaan indusoiduiksi tai indusoiduiksi. Lehdet riippuvat lähellä rungon keskiosaa, pisteissä a' ja b', eivät poikkea. Tämä tarkoittaa, että indusoidut varaukset syntyvät vain rungon päissä, kun taas sen keskiosa pysyy neutraalina tai varautumattomana. Tuomalla sähköistetty lasitanko pisteisiin a ja b ripustettuihin levyihin on helppo varmistaa, että pisteen b levyt hylätään siitä ja pisteen a levyt vetäytyvät. Tämä tarkoittaa, että johtimen etäpäässä syntyy samanmerkkinen varaus kuin pallossa ja eri merkkisiä varauksia läheisiin osiin. Ladatun pallon poistamisen jälkeen näemme, että levyt putoavat. Ilmiö etenee täysin analogisesti, jos koe toistetaan lataamalla pallo negatiivisesti (esimerkiksi tiivistysvahan avulla).

Elektroniikkateorian näkökulmasta nämä ilmiöt ovat helposti selitettävissä johtimessa olevien vapaiden elektronien olemassaololla. Kun positiivinen varaus kohdistetaan johtimeen, elektronit vetäytyvät siihen ja kerääntyvät johtimen lähimpään päähän. Siinä on tietty määrä "ylimääräisiä" elektroneja, ja tämä johtimen osa on varautunut negatiivisesti. Kaukaimmassa päässä on pula elektroneista ja sen seurauksena ylimäärä positiivisia ioneja: täällä ilmaantuu positiivinen varaus.

Kun negatiivisesti varautunut kappale tuodaan johtimeen, elektronit kerääntyvät kaukaiseen päähän, ja lähipäähän saadaan ylimäärä positiivisia ioneja. Varauksen poistamisen jälkeen, joka aiheuttaa elektronien liikkeen, ne jakautuvat jälleen johtimeen niin, että kaikki sen osat ovat edelleen varautumattomia.

Varausten liikkuminen johdinta pitkin ja niiden kerääntyminen sen päihin jatkuu, kunnes johtimen päihin muodostuneiden ylimääräisten varausten vaikutus tasapainottaa pallosta lähtevät sähkövoimat, joiden vaikutuksesta elektronien uudelleenjakautuminen tapahtuu. Varauksen puuttuminen rungon keskeltä osoittaa, että pallosta lähtevät voimat ovat tasapainossa tässä ja voimat, joilla johtimen päihin kertyneet ylimääräiset varaukset vaikuttavat vapaisiin elektroneihin.

Indusoituneet varaukset voidaan erottaa, jos johdin jaetaan osiin varautuneen kappaleen läsnä ollessa. Tällainen kokemus näkyy kuvassa. 4. Tässä tapauksessa siirtyneet elektronit eivät voi enää palata takaisin varautuneen pallon poistamisen jälkeen; koska johtimen molempien osien välillä on eriste (ilma). Ylimääräiset elektronit jakautuvat koko vasemmalle puolelle; pisteen b elektronien puute täydentyy osittain pisteen b alueelta, joten jokainen johtimen osa osoittautuu varautuneeksi: vasen - varauksella, joka on vastakkainen pallon varauksen etumerkissä, oikea - samannimisellä panoksella kuin pallon panos. Lehdet eivät eroa pisteistä a ja b, vaan myös levyt, jotka aiemmin pysyivät liikkumattomina pisteissä a’ ja b’.

Burov L.I., Strelchenya V.M. Fysiikka A-Z: opiskelijoille, hakijoille, ohjaajille. - Minsk: Paradox, 2000. - 560 s.

Myakishev G.Ya. Fysiikka: Elektrodynamiikka. 10-11 solua: oppikirja. varten syvällinen tutkimus fysiikka /G.Ya. Myakishev, A.Z. Sinyakov, B.A. Slobodskov. - M.Zh Drofa, 2005. - 476 s.

Fysiikka: Proc. korvaus 10 solulle. koulu ja luokat syventämisellä. opiskella fyysikot / O. F. Kabardin, V. A. Orlov, E. E. Evenchik ja muut; Ed. A. A. Pinsky. - 2. painos – M.: Enlightenment, 1995. – 415 s.

Fysiikan perusoppikirja: Opinto-opas. 3 osassa / Toim. G.S. Landsberg: T. 2. Sähkö ja magnetismi. - M: FIZMATLIT, 2003. - 480 s.

Jos hiero lasitankoa paperiarkille, tikku saa kyvyn houkutella "sulttaanin" lehtiä, fluffeja, ohuita vesisuihkuja. Kuivia hiuksia kammattaessa muovikammalla, hiukset houkuttelevat kampaa. Näissä yksinkertaisissa esimerkeissä kohtaamme sähköisiksi kutsuttujen voimien ilmentymisen.

Kappaleita tai hiukkasia, jotka vaikuttavat ympäröiviin esineisiin sähkövoimilla, kutsutaan varautuneiksi tai sähköistetyiksi. Esimerkiksi yllä mainittu lasitanko sähköistyy sen jälkeen, kun sitä on hierottu paperiarkkia vasten.

Hiukkasilla on sähkövaraus, jos ne ovat vuorovaikutuksessa toistensa kanssa sähkövoimien kautta. Sähkövoimat pienenevät, kun hiukkasten välinen etäisyys kasvaa. Sähkövoimat ovat monta kertaa suurempia kuin universaalin gravitaatiovoimat.

Sähkövaraus on fysikaalinen suure, joka määrää sähkömagneettisten vuorovaikutusten voimakkuuden.

Sähkömagneettinen vuorovaikutus on vuorovaikutusta varautuneiden hiukkasten tai kappaleiden välillä.

Sähkövaraukset jaetaan positiivisiin ja negatiivisiin. Vakailla alkuainehiukkasilla - protoneilla ja positroneilla sekä metalliatomien ioneilla jne. on positiivinen varaus. Stabiilit negatiivisen varauksen kantajat ovat elektroni ja antiprotoni.

On sähköisesti varautumattomia hiukkasia, eli neutraaleja: neutroneja, neutrinoja. Nämä hiukkaset eivät osallistu sähköiseen vuorovaikutukseen, koska niiden sähkövaraus on nolla. On hiukkasia ilman sähkövarausta, mutta ei ole sähkövarausta ilman hiukkasta.

Silkillä hierotulla lasilla syntyy positiivisia varauksia. Eboniitilla, nuhjuinen turkissa - negatiiviset varaukset. Hiukkaset hylkivät samanmerkkisillä varauksilla (kuten varaukset), ja eri merkeillä (vastakkaiset varaukset) hiukkaset vetävät puoleensa.

Kaikki kehot koostuvat atomeista. Atomit koostuvat positiivisesti varautuneesta atomiytimestä ja negatiivisesti varautuneista elektroneista, jotka liikkuvat atomiytimen ympärillä. Atomiydin koostuu positiivisesti varautuneista protoneista ja neutraaleista hiukkasista - neutroneista. Varaukset atomissa jakautuvat siten, että atomi kokonaisuutena on neutraali, eli atomin positiivisten ja negatiivisten varausten summa on nolla.

Elektronit ja protonit ovat osa mitä tahansa ainetta ja ovat pienimpiä stabiileja alkuainehiukkasia. Nämä hiukkaset voivat olla vapaassa tilassa loputtomiin. Elektronin ja protonin sähkövarausta kutsutaan alkuvaraukseksi.

Alkuainevaraus on pienin varaus, joka kaikilla varautuneilla alkuainehiukkasilla on. Protonin sähkövaraus on absoluuttisesti sama kuin elektronin varaus:

e \u003d 1,6021892 (46) * 10-19 C

Minkä tahansa varauksen arvo on alkuainevarauksen, eli elektronin varauksen, itseisarvon monikerta. Elektroni käännettynä kreikkalaisesta elektronista - keltainen, protoni - kreikkalaisesta protosta - ensimmäinen, neutroni latinalaisesta neutrumista - ei kumpikaan eikä toinen.

Yksinkertaiset kokeet eri kappaleiden sähköistämisestä havainnollistavat seuraavia kohtia.

1. Varauksia on kahdenlaisia: positiivisia (+) ja negatiivisia (-). Positiivinen varaus syntyy, kun lasia hierotaan ihoa tai silkkiä vasten, ja negatiivinen varaus syntyy, kun meripihkaa (tai eboniittia) hierotaan villaa vasten.

2. Maksut (tai ladattuja ruumiita) olla vuorovaikutuksessa keskenään. Samannimiset maksut torjua ja toisin kuin maksut houkuttelevat.

3. Sähköistystila voidaan siirtää kappaleesta toiseen, mikä liittyy sähkövarauksen siirtymiseen. Tällöin kehoon voi siirtyä suurempi tai pienempi varaus, eli varauksella on arvo. Kun molemmat kappaleet sähköistetään kitkan vaikutuksesta, ne saavat varauksen, toinen on positiivinen ja toinen negatiivinen. On korostettava, että kitkan avulla sähköistettyjen kappaleiden varausten absoluuttiset arvot ovat yhtä suuret, minkä vahvistavat lukuisat sähkömetreillä tehdyt varausmittaukset.

Tuli mahdolliseksi selittää, miksi kappaleet sähköistyvät (eli varautuvat) kitkan aikana elektronin löytämisen ja atomin rakenteen tutkimisen jälkeen. Kuten tiedät, kaikki aineet koostuvat atomeista; atomit puolestaan ​​koostuvat alkuainehiukkasista - negatiivisesti varautuneista elektroneja, positiivisesti varautunut protonit ja neutraalit hiukkaset - neutroneja. Elektronit ja protonit ovat elementaaristen (minimaalisten) sähkövarausten kantajia.

alkeissähkövaraus ( e) - tämä on pienin sähkövaraus, positiivinen tai negatiivinen, yhtä suuri kuin elektronivarauksen suuruus:

e = 1.6021892(46) 10 -19 C.

Varautuneita alkuainehiukkasia on monia, ja lähes kaikissa niistä on varaus. +e tai -e Nämä hiukkaset ovat kuitenkin hyvin lyhytikäisiä. He elävät alle sekunnin miljoonasosan. Vain elektronit ja protonit ovat vapaassa tilassa rajattoman ajan.

Protonit ja neutronit (nukleonit) muodostavat atomin positiivisesti varautuneen ytimen, jonka ympärillä kiertävät negatiivisesti varautuneet elektronit, joiden lukumäärä on yhtä suuri kuin protonien lukumäärä, joten atomi kokonaisuudessaan on voimalaitos.

Normaaleissa olosuhteissa atomeista (tai molekyyleistä) koostuvat kappaleet ovat sähköisesti neutraaleja. Kuitenkin kitkaprosessissa osa atomeistaan ​​lähteneistä elektroneista voi siirtyä kappaleesta toiseen. Tässä tapauksessa elektronien siirtymät eivät ylitä atomien välisten etäisyyksien kokoa. Mutta jos kappaleet erotetaan kitkan jälkeen, ne latautuvat; keho, joka on luovuttanut osan elektroneistaan, varautuu positiivisesti, ja keho, joka on hankkinut ne, on negatiivisesti varautunut.

Joten kappaleet sähköistyvät, eli ne saavat sähkövarauksen, kun ne menettävät tai saavat elektroneja. Joissakin tapauksissa sähköistyminen johtuu ionien liikkeestä. Tässä tapauksessa uusia sähkövarauksia ei synny. Käytettävissä olevat varaukset jakautuvat vain sähköistettyjen kappaleiden kesken: osa negatiivisista varauksista siirtyy kappaleesta toiseen.

Maksun määritelmä.

On syytä korostaa, että varaus on hiukkasen luontainen ominaisuus. On mahdollista kuvitella hiukkanen ilman varausta, mutta on mahdotonta kuvitella varausta ilman hiukkasta.

Varautuneet hiukkaset ilmenevät vetovoimana (vastakkaiset varaukset) tai torjunnassa (samannimiset varaukset) voimilla, jotka ovat monta suuruusluokkaa suurempia kuin gravitaatiovoimat. Siten elektronin sähköinen vetovoima vetyatomin ytimeen on 10 39 kertaa suurempi kuin näiden hiukkasten painovoiman vetovoima. Varautuneiden hiukkasten välistä vuorovaikutusta kutsutaan sähkömagneettinen vuorovaikutus, ja sähkövaraus määrittää sähkömagneettisten vuorovaikutusten voimakkuuden.

Nykyaikaisessa fysiikassa varaus määritellään seuraavasti:

Sähkövaraus- Tämä fyysinen määrä, joka on sähkökentän lähde, jonka kautta hiukkasten vuorovaikutus varauksen kanssa tapahtuu.

Sähkövaraus- fysikaalinen suure, joka luonnehtii kappaleiden kykyä päästä sähkömagneettiseen vuorovaikutukseen. Mitattu Coulombissa.

alkeissähkövaraus- alkuainehiukkasten vähimmäisvaraus (protonin ja elektronin varaus).

Keholla on varaus, tarkoittaa, että siinä on ylimääräisiä tai puuttuvia elektroneja. Tämä maksu on merkitty q=ei. (se on yhtä suuri kuin perusvarausten lukumäärä).

sähköistää kehon- luoda yli- ja puute elektroneista. Tapoja: sähköistys kitkan avulla Ja sähköistys kontaktilla.

tarkkailla aamunkoittoa e - kehon varaus, joka voidaan pitää materiaalina pisteenä.

kokeilumaksu() - piste, pieni varaus, välttämättä positiivinen - käytetään sähkökentän tutkimiseen.

Varauksen säilymisen laki:eristetyssä järjestelmässä kaikkien kappaleiden varausten algebrallinen summa pysyy vakiona näiden kappaleiden keskinäisissä vuorovaikutuksissa.

Coulombin laki:kahden pistevarauksen vuorovaikutusvoimat ovat verrannollisia näiden varausten tuloon, kääntäen verrannollisia niiden välisen etäisyyden neliöön, riippuvat väliaineen ominaisuuksista ja suuntautuvat niiden keskipisteitä yhdistävää suoraa pitkin.

, Missä

F/m, C2/nm2 - dielektrinen. nopeasti. tyhjiö

- liittyy. dielektrisyysvakio (>1)

- Absoluuttinen dielektrinen läpäisevyys. ympäristöissä

Sähkökenttä- aineellinen väliaine, jonka kautta sähkövarausten vuorovaikutus tapahtuu.

Sähkökentän ominaisuudet:

Sähkökentän ominaisuudet:

jännitystä(E) on vektorisuure, joka on yhtä suuri kuin voima, joka vaikuttaa tiettyyn pisteeseen sijoitettuun yksikkötestivaraukseen.

Mitattu N/C.

Suunta on sama kuin aktiivisella voimalla.

jännitys ei riipu ei koelatauksen vahvuuden eikä suuruuden perusteella.

Sähkökenttien superpositio: useiden varausten luoman kentän voimakkuus on yhtä suuri kuin kunkin varauksen kenttävoimakkuuksien vektorisumma:

Graafisesti Elektroninen kenttä on kuvattu käyttämällä jännityslinjoja.

jännityslinja- viiva, jonka tangentti kussakin pisteessä on sama kuin jännitysvektorin suunta.

Stressilinjan ominaisuudet: ne eivät leikkaa, kunkin pisteen läpi voidaan vetää vain yksi viiva; ne eivät ole suljettuja, jättävät positiivisen varauksen ja menevät negatiiviseen varaukseen tai haihtuvat äärettömään.

Kenttätyypit:

Tasainen sähkökenttä- kenttä, jonka intensiteettivektori on jokaisessa pisteessä sama absoluuttisen arvon ja suunnan suhteen.

Epätasainen sähkökenttä- kenttä, jonka intensiteettivektori kussakin pisteessä ei ole sama absoluuttisen arvon ja suunnan suhteen.

Jatkuva sähkökenttä– jännitysvektori ei muutu.

Epävakio sähkökenttä- jännitysvektori muuttuu.

Sähkökentän työ varauksen siirtämiseksi.

, jossa F on voima, S on siirtymä, - F:n ja S:n välinen kulma.

Tasaisella kentällä: voima on vakio.

Työ ei riipu liikeradan muodosta; suljettua polkua pitkin liikkumiseen tehty työ on nolla.

Epähomogeeniselle kentälle:

Sähkökentän potentiaali- sen työn suhde, jonka kenttä tekee siirtämällä koesähkövarauksen äärettömyyteen, tämän varauksen suuruuteen.

-potentiaalia on kentän energiaominaisuus. Mitattu voltteina

Mahdollinen eroavaisuus:

, Tuo

, tarkoittaa

-potentiaalinen gradientti.

Homogeeninen kenttä: potentiaaliero - Jännite:

. Se mitataan voltteina, laitteet - volttimetrit.

Sähköinen kapasiteetti- kehojen kyky kerätä sähkövarausta; varauksen suhde potentiaaliin, joka on aina vakio tietylle johtimelle.

.

Ei riipu latauksesta eikä potentiaalista. Mutta se riippuu johtimen koosta ja muodosta; väliaineen dielektrisistä ominaisuuksista.

, missä r on koko,

- väliaineen läpäisevyys kehon ympärillä.

Sähköinen kapasiteetti kasvaa, jos lähellä on kappaleita - johtimia tai eristeitä.

Kondensaattori- laite varauksen keräämiseen. Sähköinen kapasiteetti:

Litteä kondensaattori- kaksi metallilevyä, joiden välissä on eriste. Litteän kondensaattorin kapasitanssi:

, jossa S on levyjen pinta-ala, d on levyjen välinen etäisyys.

Ladatun kondensaattorin energia on yhtä suuri kuin työ, jonka sähkökenttä tekee siirrettäessä varausta levyltä toiselle.

Pienen maksun siirto

, jännite muuttuu arvoon

, työt tehdään

. Koska

, ja C \u003d const,

. Sitten

. Integroimme:

Sähkökentän energia:

, jossa V=Sl on sähkökentän käyttämä tilavuus

Epähomogeeniselle kentälle:

.

Volumetrisen sähkökentän tiheys:

. Mitattu J/m3.

sähköinen dipoli- järjestelmä, joka koostuu kahdesta yhtä suuresta, mutta etumerkillisesti vastakkaisesta pistesähkövarauksesta, jotka sijaitsevat tietyllä etäisyydellä toisistaan ​​(dipolivarsi -l).

Dipolin pääominaisuus on dipolimomentti on vektori, joka on yhtä suuri kuin varauksen ja dipolin käsivarren tulo, joka on suunnattu negatiivisesta varauksesta positiiviseen. Merkitty

. Mitattu kulonimetreinä.

Dipoli tasaisessa sähkökentässä.

Dipolin kuhunkin varaukseen vaikuttavat voimat ovat:

Ja

. Nämä voimat ovat suunnattu vastakkaiseen suuntaan ja muodostavat momentin voimaparista - vääntömomentti:, missä

M - vääntömomentti F - dipoliin vaikuttavat voimat

d – käsivarsi l – dipolin käsivarsi

p– dipolimomentti E– intensiteetti

- kulma p välillä Eq - varaus

Vääntömomentin vaikutuksesta dipoli kääntyy ja asettuu jännityslinjojen suuntaan. Vektorit pi ja E ovat yhdensuuntaisia ​​ja yksisuuntaisia.

Dipoli epähomogeenisessa sähkökentässä.

Siellä on vääntömomentti, joten dipoli kääntyy. Mutta voimat ovat eriarvoisia, ja dipoli siirtyy sinne, missä voima on suurempi.

-jännitysgradientti. Mitä suurempi jännitysgradientti, sitä suurempi lateraalivoima, joka vetää dipolin irti. Dipoli on suunnattu voimalinjoja pitkin.

Dipolin oma kenttä.

Mutta. Sitten:

.

Olkoon dipoli pisteessä O ja sen varsi pieni. Sitten:

.

Kaava saatiin ottaen huomioon:

Siten potentiaaliero riippuu sen puolikulman sinistä, jossa dipolipisteet näkyvät, ja dipolimomentin projektiosta näitä pisteitä yhdistävälle suoralle.

Dielektrit sähkökentässä.

Dielektrinen- aine, jolla ei ole vapaita varauksia ja joka siksi ei johda sähkövirtaa. Itse asiassa johtavuutta on kuitenkin olemassa, mutta se on mitätön.

Dielektriset luokat:

polaarisilla molekyyleillä (vesi, nitrobentseeni): molekyylit eivät ole symmetrisiä, positiivisten ja negatiivisten varausten massakeskukset eivät täsmää, mikä tarkoittaa, että niillä on dipolimomentti myös silloin, kun sähkökenttää ei ole.

ei-polaarisilla molekyyleillä (vety, happi): molekyylit ovat symmetrisiä, positiivisten ja negatiivisten varausten massakeskukset ovat samat, mikä tarkoittaa, että niillä ei ole dipolimomenttia sähkökentän puuttuessa.

kiteinen (natriumkloridi): kahden alihilan yhdistelmä, joista toinen on positiivisesti varautunut ja toinen negatiivisesti varautunut; sähkökentän puuttuessa kokonaisdipolimomentti on nolla.

Polarisaatio- varausten avaruudellisen erottelun prosessi, sitoutuneiden varausten ilmestyminen eristeen pinnalle, mikä johtaa kentän heikkenemiseen dielektrin sisällä.

Polarisaatiokeinot:

1 tapa - sähkökemiallinen polarisaatio:

Elektrodeilla - kationien ja anionien liikkuminen niitä kohti, aineiden neutralointi; muodostuu positiivisten ja negatiivisten varausten alueita. Virta pienenee vähitellen. Neutralointimekanismin muodostumisnopeudelle on tunnusomaista rentoutumisaika - tämä on aika, jonka aikana polarisaatio-EMF kasvaa nollasta maksimiin kentän kohdistamisesta lähtien. = 10 -3 -10 -2 s.

Menetelmä 2 - orientaatiopolarisaatio:

Eristeen pinnalle muodostuu kompensoimattomia polaarisia, ts. tapahtuu polarisaatiota. Jännitys eristeen sisällä on pienempi kuin ulkoinen jännitys. Rentoutumisaika: = 10 -13 -10 -7 s. Taajuus 10 MHz.

3-tie - elektroninen polarisaatio:

Ominaista ei-polaarisille molekyyleille, joista tulee dipoleja. Rentoutumisaika: = 10 -16 -10 -14 s. Taajuus 10 8 MHz.

4-tie - ionipolarisaatio:

Kaksi hilaa (Na ja Cl) ovat siirtyneet suhteessa toisiinsa.

Rentoutumisaika:

Menetelmä 5 - mikrorakennepolarisaatio:

Se on tyypillistä biologisille rakenteille, kun varautuneet ja varauksettomat kerrokset vuorottelevat. Ionit jakautuvat uudelleen puoliläpäiseviin tai ioneja läpäisemättömiin väliseiniin.

Rentoutumisaika: \u003d 10 -8 -10 -3 s. Taajuus 1 kHz

Polarisaatioasteen numeeriset ominaisuudet:

Sähkö on ilmaisten maksujen määrätty liikkuminen aineessa tai tyhjiössä.

Edellytykset sähkövirran olemassaololle:

ilmaisten maksujen läsnäolo

sähkökentän läsnäolo, ts. näihin syytteisiin vaikuttavia voimia

Nykyinen vahvuus- arvo, joka on yhtä suuri kuin varaus, joka kulkee johtimen minkä tahansa poikkileikkauksen läpi aikayksikköä kohti (1 sekunti)

Ampereina mitattuna.

n on varausten pitoisuus

q on maksun määrä

S- johtimen poikkipinta-ala

- hiukkasten suunnatun liikkeen nopeus.

Varautuneiden hiukkasten liikenopeus sähkökentässä on pieni - 7 * 10 -5 m / s, sähkökentän etenemisnopeus on 3 * 10 8 m / s.

nykyinen tiheys- latauksen määrä, joka kulkee 1 sekunnissa 1 m 2:n osan läpi.

. Mitattu A/m2.

- ioniin sähkökentän puolelta vaikuttava voima on yhtä suuri kuin kitkavoima

- ionien liikkuvuus

- ionien suunnatun liikkeen nopeus = liikkuvuus, kentänvoimakkuus

Mitä suurempi elektrolyytin ominaisjohtavuus on, sitä suurempi on ionien pitoisuus, niiden varaus ja liikkuvuus. Lämpötilan noustessa ionien liikkuvuus kasvaa ja sähkönjohtavuus kasvaa.

Amerikkalainen fyysikko Benjamin Franklin kutsui joitain kappaleita sähköisesti varautuneiden kappaleiden vuorovaikutuksesta havaintojen perusteella positiivisesti varautuneiksi, kun taas toisia negatiivisiksi. Vastaavasti ja sähkövaraukset nimeltään positiivinen Ja negatiivinen.

Kehot, joilla on samanlaisia ​​varauksia, hylkivät toisiaan. Kehot, joilla on vastakkaiset varaukset, vetävät puoleensa.

Nämä varausten nimet ovat melko mielivaltaisia, ja niiden ainoa merkitys on, että kappaleet, joissa on sähkövarauksia, voivat joko vetää puoleensa tai hylkiä.

Kehon sähkövarauksen etumerkki määräytyy vuorovaikutuksen perusteella varauksen merkin ehdollisen standardin kanssa.

Yhtenä näistä standardeista otettiin panos eboniittitikkusta, jota käytetään turkissa. Uskotaan, että eboniittitikulla on aina negatiivinen varaus sen jälkeen, kun sitä on hierottu turkilla.

Jos on tarpeen määrittää, mikä merkki tietyn kappaleen varauksesta, se viedään eboniittisauvaan, jota käytetään turkissa, kiinnitetään kevyeen suspensioon ja vuorovaikutusta tarkkaillaan. Jos keppi hylätään, kehossa on negatiivinen varaus.

Alkuainehiukkasten löytämisen ja tutkimuksen jälkeen kävi ilmi negatiivinen varaus on aina alkeisosa ca - elektroni.

Elektroni (kreikasta - meripihka) - vakaa alkuainehiukkanen, jolla on negatiivinen sähkövarause = 1,6021892(46) . 10 -19 C, lepomassaminä =9.1095. 10-19 kg. Löysi sen vuonna 1897 englantilainen fyysikko J. J. Thomson.

Positiivisen varauksen standardiksi otettiin luonnonsilkillä hierotun lasitangon varaus. Jos keppi hylkii sähköistettyä kappaletta, niin tällä rungolla on positiivinen varaus.

positiivinen varaus on aina ollut protoni, joka on osa atomin ydintä. materiaalia sivustolta

Käyttämällä yllä olevia sääntöjä kehon varauksen merkin määrittämiseksi on muistettava, että se riippuu vuorovaikutuksessa olevien kappaleiden aineesta. Eboniittitikulla voi siis olla positiivinen varaus, jos sitä hierotaan synteettisistä materiaaleista valmistetulla kankaalla. Lasitauvalla on negatiivinen varaus, jos sitä hierotaan turkilla. Siksi, kun suunnittelet negatiivisen varauksen saamista eboniittitikulle, kannattaa ehdottomasti käyttää turkista tai villakangasta hankaamiseen. Sama koskee lasitangon sähköistämistä, jota hierotaan luonnonsilkistä valmistetulla kankaalla positiivisen varauksen saamiseksi. Vain elektronilla ja protonilla on aina ja yksiselitteisesti negatiivinen ja positiivinen varaus, vastaavasti.

Tällä sivulla on materiaalia aiheista.

« Fysiikka - luokka 10 "

Tarkastellaan ensin yksinkertaisinta tapausta, kun sähköisesti varautuneet kappaleet ovat levossa.

Sähködynamiikan osaa, joka on omistettu sähköisesti varautuneiden kappaleiden tasapainoolosuhteiden tutkimukselle, kutsutaan sähköstaattinen.

Mikä on sähkövaraus?
Mitkä ovat maksut?

Sanoilla sähkö, sähkövaraus, sähkövirta tapasit monta kertaa ja onnistuit tottumaan niihin. Mutta yritä vastata kysymykseen: "Mikä on sähkövaraus?" Itse konsepti veloittaa- tämä on pääasia ensisijainen käsite, joka ei ole pelkistetyllä tietämyksemme nykyisellä kehitystasolla mihinkään yksinkertaisempiin, alkeellisiin käsitteisiin.

Yritetään ensin selvittää, mitä tarkoitetaan lauseella: "Tietyllä kappaleella tai hiukkasella on sähkövaraus."

Kaikki kappaleet on rakennettu pienimmistä hiukkasista, jotka ovat jakamattomia yksinkertaisempiin ja siksi niitä kutsutaan perus.

Alkuainehiukkasilla on massa ja tästä johtuen ne houkuttelevat toisiaan yleisen gravitaatiolain mukaan. Kun hiukkasten välinen etäisyys kasvaa, gravitaatiovoima pienenee käänteisesti suhteessa tämän etäisyyden neliöön. Useimmilla alkuainehiukkasilla, vaikkakaan ei kaikilla, on myös kyky olla vuorovaikutuksessa toistensa kanssa voimalla, joka myös pienenee käänteisesti etäisyyden neliön kanssa, mutta tämä voima on monta kertaa suurempi kuin painovoima.

Joten vetyatomissa, joka esitetään kaavamaisesti kuvassa 14.1, elektroni vetää ytimeen (protoniin) voimalla, joka on 10 39 kertaa suurempi kuin vetovoiman vetovoima.

Jos hiukkaset ovat vuorovaikutuksessa toistensa kanssa voimilla, jotka pienenevät etäisyyden kasvaessa samalla tavalla kuin yleisen gravitaatiovoimat, mutta ylittävät painovoimat moninkertaisesti, niin näillä hiukkasilla sanotaan olevan sähkövaraus. Itse hiukkasia kutsutaan veloitettu.

On hiukkasia ilman sähkövarausta, mutta ei ole sähkövarausta ilman hiukkasta.

Varautuneiden hiukkasten vuorovaikutusta kutsutaan sähkömagneettinen.

Sähkövaraus määrää sähkömagneettisten vuorovaikutusten voimakkuuden, aivan kuten massa määrittää gravitaatiovuorovaikutusten voimakkuuden.

Alkuainehiukkasen sähkövaraus ei ole erityinen mekanismi hiukkasessa, joka voitaisiin poistaa siitä, hajottaa komponenttiosiin ja koota uudelleen. Sähkövarauksen läsnäolo elektronissa ja muissa hiukkasissa tarkoittaa vain tiettyjen voimavuorovaikutusten olemassaoloa niiden välillä.

Pohjimmiltaan emme tiedä varauksesta mitään, jos emme tunne näiden vuorovaikutusten lakeja. Vuorovaikutusten lakien tuntemus tulisi sisällyttää käsityksemme varauksesta. Nämä lait eivät ole yksinkertaisia, ja niitä on mahdotonta ilmaista muutamalla sanalla. Siksi on mahdotonta antaa riittävän tyydyttävää tiivistä määritelmää käsitteelle sähkövaraus.

Kaksi merkkiä sähkövarauksesta.

Kaikilla kappaleilla on massa ja siksi ne vetävät toisiaan puoleensa. Varautuneet kehot voivat sekä vetää puoleensa että hylkiä toisiaan. Tämä sinulle tuttu tärkein tosiasia tarkoittaa, että luonnossa on hiukkasia, joiden sähkövaraukset ovat vastakkaisia; Samanmerkkisten varausten tapauksessa hiukkaset hylkivät ja eri merkkien tapauksessa ne vetävät puoleensa.

Alkuainehiukkasten varaus - protonit, jotka ovat osa kaikkia atomiytimiä, kutsutaan positiiviseksi ja varaukseksi elektroneja- negatiivinen. Positiivisten ja negatiivisten varausten välillä ei ole sisäisiä eroja. Jos hiukkasten varausten merkit käänteisivät, sähkömagneettisten vuorovaikutusten luonne ei muuttuisi ollenkaan.

alkuainevaraus.

Elektronien ja protonien lisäksi on olemassa useita muita varautuneita alkuainehiukkasia. Mutta vain elektronit ja protonit voivat olla olemassa loputtomasti vapaassa tilassa. Loput varautuneista hiukkasista elävät alle sekunnin miljoonasosia. Ne syntyvät nopeiden alkuainehiukkasten törmäyksissä ja, kun ne ovat olleet olemassa merkityksettömän ajan, hajoavat muuttuen muiksi hiukkasiksi. Näihin hiukkasiin tutustut 11. luokalla.

Hiukkasia, joilla ei ole sähkövarausta, ovat mm neutroni. Sen massa ylittää vain vähän protonin massan. Neutronit ovat protonien ohella osa atomin ydintä. Jos alkuainehiukkasella on varaus, sen arvo on tiukasti määritelty.

ladattuja ruumiita Luonnon sähkömagneettisilla voimilla on valtava rooli, koska kaikkien kappaleiden koostumus sisältää sähköisesti varautuneita hiukkasia. Atomien rakenneosilla - ytimillä ja elektroneilla - on sähkövaraus.

Sähkömagneettisten voimien suoraa vaikutusta kappaleiden välillä ei havaita, koska normaalitilassa olevat kappaleet ovat sähköisesti neutraaleja.

Minkä tahansa aineen atomi on neutraali, koska siinä olevien elektronien lukumäärä on yhtä suuri kuin ytimessä olevien protonien lukumäärä. Positiivisesti ja negatiivisesti varautuneet hiukkaset liittyvät toisiinsa sähkövoimilla ja muodostavat neutraaleja järjestelmiä.

Makroskooppinen kappale on sähköisesti varautunut, jos se sisältää ylimäärän alkuainehiukkasia, joilla on yksi varausmerkki. Joten kehon negatiivinen varaus johtuu elektronien lukumäärän ylimäärästä protonien lukumäärään verrattuna, ja positiivinen varaus johtuu elektronien puutteesta.

Sähköisesti varautuneen makroskooppisen kappaleen saamiseksi eli sen sähköistämiseksi on välttämätöntä erottaa osa negatiivisesta varauksesta siihen liittyvästä positiivisesta varauksesta tai siirtää negatiivinen varaus neutraaliin kappaleeseen.

Tämä voidaan tehdä kitkalla. Jos käytät kampaa kuivien hiusten läpi, pieni osa liikkuvimmista varautuneista hiukkasista - elektronit siirtyvät hiuksista kampaan ja lataavat sen negatiivisesti, ja hiukset latautuvat positiivisesti.

Varausten tasaisuus sähköistyksen aikana

Kokemuksen avulla voidaan osoittaa, että kitkan avulla sähköistettynä molemmat kappaleet saavat varauksia, jotka ovat etumerkillisesti vastakkaisia, mutta suuruudeltaan identtisiä.

Otetaan sähkömittari, jonka sauvaan on kiinnitetty metallipallo, jossa on reikä, ja kaksi levyä pitkillä kahvoilla: toinen eboniittia ja toinen pleksilasia. Hieroessaan toisiaan vasten levyt sähköistyvät.

Tuodaan yksi levyistä pallon sisään koskematta sen seiniin. Jos levy on positiivisesti varautunut, osa neulan ja elektrometrin sauvan elektroneista vetäytyy levyyn ja kerääntyy pallon sisäpinnalle. Tässä tapauksessa nuoli on positiivisesti varautunut ja hylätty elektrometrin sauvasta (kuva 14.2, a).

Jos pallon sisään viedään toinen levy, kun ensimmäinen on aiemmin poistettu, niin pallon ja sauvan elektronit hylätään levyltä ja kerääntyvät ylimääräisesti nuoleen. Tämä aiheuttaa sen, että nuoli poikkeaa tangosta samalla kulmalla kuin ensimmäisessä kokeessa.

Kun molemmat levyt on laskettu pallon sisään, emme löydä nuolen taipumista ollenkaan (kuva 14.2, b). Tämä osoittaa, että levyjen varaukset ovat suuruudeltaan yhtä suuret ja vastakkaiset etumerkillä.

Kehojen sähköistäminen ja sen ilmenemismuodot. Merkittävä sähköistyminen tapahtuu synteettisten kankaiden kitkan aikana. Kun otat pois synteettisestä materiaalista valmistettua paitaa kuivassa ilmassa, voit kuulla tyypillisen rätiksen. Pienet kipinät hyppäävät hankauspintojen varautuneiden alueiden välillä.

Painotaloissa paperi sähköistyy tulostuksen aikana ja arkit tarttuvat toisiinsa. Tämän estämiseksi varauksen tyhjentämiseen käytetään erityisiä laitteita. Lähikontaktissa olevien kappaleiden sähköistämistä käytetään kuitenkin joskus esimerkiksi erilaisissa sähkökopiokoneissa jne.

Sähkövarauksen säilymisen laki.

Kokemukset levyjen sähköistämisestä osoittavat, että kitkan avulla sähköistettynä olemassa olevat varaukset jakautuvat uudelleen aiemmin neutraalien kappaleiden kesken. Pieni osa elektroneista siirtyy kehosta toiseen. Tässä tapauksessa uusia hiukkasia ei ilmesty, eivätkä aiemmin olemassa olevat hiukkaset katoa.

Kun sähköistetään runkoja, sähkövarauksen säilymisen laki. Tämä laki pätee järjestelmään, joka ei tule sisään ulkopuolelta ja josta varautuneita hiukkasia ei poistu, ts. eristetty järjestelmä.

Eristetyssä järjestelmässä kaikkien kappaleiden varausten algebrallinen summa säilyy.

q 1 + q 2 + q 3 + ... + q n = vakio. (14.1)

missä q 1, q 2 jne. ovat yksittäisten varautuneiden kappaleiden varauksia.

Varauksen säilymisen lailla on syvä merkitys. Jos varautuneiden alkuainehiukkasten määrä ei muutu, varauksen säilymislain täyttyminen on ilmeistä. Mutta alkuainehiukkaset voivat muuttua toisikseen, syntyä ja kadota antaen elämän uusille hiukkasille.

Kuitenkin kaikissa tapauksissa varautuneita hiukkasia tuotetaan vain pareittain, joiden varausmoduuli on sama ja etumerkillisesti vastakkainen; myös varautuneet hiukkaset katoavat vain pareittain muuttuen neutraaleiksi. Ja kaikissa näissä tapauksissa varausten algebrallinen summa pysyy samana.

Varauksen säilymislain pätevyyden vahvistavat havainnot valtavasta määrästä alkuainehiukkasten muunnoksia. Tämä laki ilmaisee yhden sähkövarauksen perusominaisuuksista. Panoksen säilyttämisen syytä ei vielä tiedetä.

Määritelmä 1

Monet ympärillämme olevista fyysisiä ilmiöitä luonnossa esiintyviä, eivät löydä selitystä mekaniikan, termodynamiikan ja molekyylikineettisen teorian laeista. Tällaiset ilmiöt perustuvat etäisyyden päässä olevien kappaleiden välillä vaikuttavien voimien vaikutukseen, jotka ovat riippumattomia vuorovaikutuksessa olevien kappaleiden massoista, mikä välittömästi kieltää niiden mahdollisen gravitaatioluonteen. Näitä voimia kutsutaan sähkömagneettinen.

Jopa muinaisilla kreikkalaisilla oli jonkinlainen käsitys sähkömagneettisista voimista. Kuitenkin vasta 1700-luvun lopulla alkoi systemaattinen, kvantitatiivinen tutkimus kappaleiden sähkömagneettiseen vuorovaikutukseen liittyvistä fysikaalisista ilmiöistä.

Määritelmä 2

Kovan työn ansiosta suuri numero tiedemiehet 1800-luvulla saivat päätökseen täysin uuden harmonisen tieteen, joka käsittelee magneettisten ja sähköisten ilmiöiden tutkimusta. Joten yksi fysiikan tärkeimmistä haaroista kutsuttiin sähködynamiikka.

Sähkövarausten ja virtojen luoma, sähkö- ja magneettikentät tuli hänen tärkeimmät opiskeluaiheensa.

Varauksen käsitteellä sähködynamiikassa on sama rooli kuin gravitaatiomassalla Newtonin mekaniikassa. Se sisältyy osion perustaan ​​ja on sille ensisijainen.

Määritelmä 3

Sähkövaraus on fysikaalinen suure, joka kuvaa hiukkasten tai kappaleiden kykyä päästä sähkömagneettiseen voimavuorovaikutukseen.

Sähködynamiikassa kirjaimet q tai Q tarkoittavat yleensä sähkövarausta.

Yhdessä kaikki tunnetut kokeellisesti todistetut tosiasiat antavat meille mahdollisuuden tehdä seuraavat johtopäätökset:

Määritelmä 4

Sähkövarauksia on kahdenlaisia. Nämä on nimetty tavanomaisesti positiiviset ja negatiiviset varaukset.

Määritelmä 5

Varaukset voivat siirtyä (esimerkiksi suorassa kosketuksessa) ruumiiden välillä. Sähkövaraus, toisin kuin kehon massa, ei ole sen olennainen ominaisuus. Yksi tietty keho eri olosuhteissa voi kestää eri merkitys veloittaa.

Määritelmä 6

Kuten varaukset hylkivät, toisin kuin varaukset houkuttelevat. Tämä tosiasia paljastaa toisen perustavanlaatuisen eron sähkömagneettisten ja gravitaatiovoimien välillä. Gravitaatiovoimat ovat aina vetovoimaa.

Sähkövarauksen säilymislaki on yksi luonnon peruslaeista.

Eristetyssä järjestelmässä kaikkien kappaleiden varausten algebrallinen summa on muuttumaton:

q 1 + q 2 + q 3 +. . . + qn = c o n s t.

Määritelmä 7

Sähkövarauksen säilymislaki sanoo, että suljetussa kehojärjestelmässä ei voida havaita vain yhden merkin varausten syntymis- tai katoamisprosesseja.

Näkökulmasta moderni tiede Varauksen kantajat ovat alkuainehiukkasia. Mikä tahansa tavallinen esine koostuu atomeista. Ne koostuvat positiivisesti varautuneista protoneista, negatiivisesti varautuneista elektroneista ja neutraaleista hiukkasista - neutroneista. Protonit ja neutronit ovat olennainen osa atomiytimiä, kun taas elektronit muodostavat atomien elektronikuoren. Moduulin mukaan protonin ja elektronin sähkövaraukset ovat ekvivalentteja ja yhtä suuria kuin alkuvarauksen e arvo.

Neutraalissa atomissa elektronien määrä kuoressa ja protonien määrä ytimessä on sama. Minkä tahansa annetun hiukkasen lukumäärää kutsutaan atominumeroksi.

Tällaisella atomilla on kyky sekä menettää että saada yksi tai useampia elektroneja. Kun näin tapahtuu, neutraalista atomista tulee positiivisesti tai negatiivisesti varautunut ioni.

Varaus voi siirtyä kappaleesta toiseen vain osissa, jotka sisältävät kokonaislukumäärän alkuainevarauksia. Osoittautuu, että kehon sähkövaraus on diskreetti suure:

q = ±n e (n = 0, 1, 2, . . .).

Määritelmä 8

Fyysisiä suureita, joilla on kyky ottaa yksinomaan erillinen arvosarja, kutsutaan kvantisoitu.

Määritelmä 9

alkeislataus e edustaa kvanttia, eli pienintä mahdollista sähkövarauksen osaa.

Määritelmä 10

Se tosiasia, että nykyaikaisessa alkeishiukkasfysiikassa on ns kvarkit– hiukkaset, joiden osavaraus on ± 1 3 e ja ± 2 3 e .

Tiedemiehet eivät kuitenkaan ole koskaan pystyneet tarkkailemaan kvarkeja vapaassa tilassa.

Määritelmä 11

Havaitsemaan ja mittaamaan sähkövarauksia laboratorioolosuhteet yleensä he käyttävät elektrometriä - laitetta, joka koostuu metallitangosta ja nuolesta, joka voi pyöriä vaaka-akselin ympäri (kuva 1. 1. 1).

Nuolenpää on eristetty metallikotelosta. Joutuessaan kosketuksiin elektrometrin sauvan kanssa, varautunut kappale saa aikaan samanmerkkisten sähkövarausten jakautumisen sauvaa ja neulaa pitkin. Sähköisten hylkimisvoimien vaikutus saa neulan poikkeamaan tietyssä kulmassa, jonka avulla voidaan määrittää sähkömittarin sauvaan siirtynyt varaus.

Kuva 1. 1 . 1 . Varauksen siirto varautuneesta kappaleesta elektrometriin.

Elektrometri on melko karkea väline. Sen herkkyys ei salli varausten vuorovaikutusvoimien tutkimista. Vuonna 1785 löydettiin ensimmäisen kerran kiinteiden maksujen vuorovaikutuslaki. Löytäjäksi tuli ranskalainen fyysikko Ch. Coulomb. Hän mittasi kokeissaan varautuneiden pallojen veto- ja hylkimisvoimia sähkövarauksen mittaamiseen suunnittelemallaan laitteella - vääntötasapainolla (kuva 1.1.2), jolla on erittäin korkea herkkyys. Vaa'an keinuvipu kiertyi 1° noin 10-9 N voiman vaikutuksesta.

Ajatus mittauksista perustui fyysikon arvaukseen, että kun varattu pallo joutuu kosketuksiin saman varaamattoman pallon kanssa, ensimmäisen olemassa oleva varaus jakaantuu yhtä suuriin osiin kappaleiden kesken. Siten saatiin menetelmä muuttaa pallon varausta kahdella tai useammalla kertaa.

Määritelmä 12

Coulomb mittasi kokeissaan pallojen välistä vuorovaikutusta, joiden mitat olivat paljon pienempiä kuin niitä erottava etäisyys, minkä vuoksi ne voitiin jättää huomiotta. Tällaisia ​​varautuneita kappaleita kutsutaan pistemaksut.

Kuva 1. 1 . 2. Coulombin laite.

Kuva 1. 1 . 3. Samankaltaisten ja erilaisten varausten vuorovaikutusvoimat.

Monien kokeiden perusteella Coulomb vahvisti seuraavan lain:

Määritelmä 13

Kiinteiden varausten vuorovaikutusvoimat ovat suoraan verrannollisia varausmoduulien tuloon ja kääntäen verrannollisia niiden välisen etäisyyden neliöön: F = k q 1 · q 2 r 2 .

Vuorovaikutusvoimat ovat hylkiviä voimia, joilla on samat varausmerkit ja vetovoimat eri etumerkeillä (kuva 1.1.3), ja ne noudattavat myös Newtonin kolmatta lakia:
F 1 → = - F 2 →.

Määritelmä 14

Coulomb eli sähköstaattinen vuorovaikutus on paikallaan olevien sähkövarausten vaikutusta toisiinsa.

Määritelmä 15

Sähködynamiikan osa, joka on omistettu Coulombin vuorovaikutuksen tutkimukselle, on ns sähköstaattinen.

Coulombin lakia voidaan soveltaa varautuneisiin pistekappaleisiin. Käytännössä se toteutuu täysin, jos varautuneiden kappaleiden mitat voidaan jättää huomiotta vuorovaikutusobjektien välisen etäisyyden vuoksi, joka on niitä paljon suurempi.

Suhteellisuuskerroin k Coulombin laissa riippuu yksikköjärjestelmän valinnasta.

Kansainvälisessä järjestelmässä C I sähkövarauksen mittayksikkö on riipus (K l).

Määritelmä 16

Riipus- tämä on varaus, joka kulkee 1 sekunnissa johtimen poikkileikkauksen läpi virranvoimakkuudella 1 A. Virran voimakkuuden yksikkö (ampeerit) C I:ssä on pituuden, ajan ja massan yksiköiden ohella johtimen pääyksikkö mittaus.

Kerroin k C-järjestelmässä Ja useimmissa tapauksissa kirjoitetaan seuraavasti:

k = 1 4 π ε 0.

Jossa ε 0 \u003d 8, 85 10 - 12 K l 2 N m 2 on sähköinen vakio.

C AND -järjestelmässä alkuvaraus e on:

e \u003d 1,602177 10 - 19 K l ≈ 1,6 10 - 19 K l.

Kokemuksen perusteella voidaan sanoa, että Coulombin vuorovaikutuksen voimat noudattavat superpositiota.

Lause 1

Jos varattu kappale on vuorovaikutuksessa samanaikaisesti useiden varautuneiden kappaleiden kanssa, niin tähän kappaleeseen vaikuttava voima on yhtä suuri kuin kaikkien muiden varautuneiden kappaleiden tähän kappaleeseen vaikuttavien voimien vektorisumma.

Kuvio 1. 1 . Kuvassa 4, jossa käytetään esimerkkiä kolmen varautuneen kappaleen sähköstaattisesta vuorovaikutuksesta, on selitetty superpositioperiaate.

Kuva 1. 1 . 4. Sähköstaattisten voimien superpositioperiaate F → = F 21 → + F 31 → ; F2 → = F12 → + F32 →; F 3 → = F 13 → + F 23 →.

Kuva 1. 1 . 5. Pistevarausten vuorovaikutuksen malli.

Vaikka superpositioperiaate on luonnon peruslaki, sen käyttö vaatii jonkin verran huolellisuutta, kun sitä sovelletaan äärellisen kokoisten varautuneiden kappaleiden vuorovaikutukseen. Kaksi johtavaa varattua palloa 1 ja 2 voivat toimia esimerkkinä sellaisista. Jos toinen varattu pallo tuodaan tällaiseen kahdesta ladatusta pallosta koostuvaan järjestelmään, vuorovaikutus 1 ja 2 välillä muuttuu varausten uudelleenjakautumisen vuoksi.

Superpositioperiaate olettaa, että minkä tahansa kahden kappaleen sähköstaattisen vuorovaikutuksen voimat eivät riipu muiden varautuneiden kappaleiden läsnäolosta, mikäli varausten jakautuminen on kiinteä (annettu).

Jos huomaat tekstissä virheen, korosta se ja paina Ctrl+Enter

Yksinkertaiset kokeet eri kappaleiden sähköistämisestä havainnollistavat seuraavia kohtia.

1. Varauksia on kahdenlaisia: positiivisia (+) ja negatiivisia (-). Positiivinen varaus syntyy, kun lasia hierotaan nahkaa tai silkkiä vasten, ja negatiivinen varaus syntyy, kun meripihkaa (tai eboniittia) hierotaan villaa vasten.

2. Maksut (tai ladattuja ruumiita) olla vuorovaikutuksessa keskenään. Samannimiset maksut torjua ja toisin kuin maksut houkuttelevat.

3. Sähköistystila voidaan siirtää kappaleesta toiseen, mikä liittyy sähkövarauksen siirtymiseen. Tällöin kehoon voi siirtyä suurempi tai pienempi varaus, eli varauksella on arvo. Kun molemmat kappaleet sähköistetään kitkan vaikutuksesta, ne saavat varauksen, toinen positiivinen ja toinen negatiivinen. On korostettava, että kitkan avulla sähköistettyjen kappaleiden varausten absoluuttiset arvot ovat yhtä suuret, minkä vahvistavat lukuisat sähkömetreillä tehdyt varausmittaukset.

Tuli mahdolliseksi selittää, miksi kappaleet sähköistyvät (eli varautuvat) kitkan aikana elektronin löytämisen ja atomin rakenteen tutkimisen jälkeen. Kuten tiedät, kaikki aineet koostuvat atomeista; atomit puolestaan ​​koostuvat alkuainehiukkasista - negatiivisesti varautuneista elektroneja, positiivisesti varautunut protonit ja neutraalit hiukkaset - neutroneja. Elektronit ja protonit ovat elementaaristen (minimaalisten) sähkövarausten kantajia.

alkeissähkövaraus ( e) on pienin sähkövaraus, positiivinen tai negatiivinen, yhtä suuri kuin elektronin varaus:

e = 1.6021892(46) 10 -19 C.

Varautuneita alkuainehiukkasia on monia, ja lähes kaikissa niistä on varaus. +e tai -e Nämä hiukkaset ovat kuitenkin hyvin lyhytikäisiä. He elävät alle sekunnin miljoonasosan. Vain elektronit ja protonit ovat vapaassa tilassa rajattoman ajan.

Protonit ja neutronit (nukleonit) muodostavat atomin positiivisesti varautuneen ytimen, jonka ympärillä kiertävät negatiivisesti varautuneet elektronit, joiden lukumäärä on yhtä suuri kuin protonien lukumäärä, joten atomi kokonaisuudessaan on voimalaitos.

Normaaleissa olosuhteissa atomeista (tai molekyyleistä) koostuvat kappaleet ovat sähköisesti neutraaleja. Kuitenkin kitkaprosessissa osa atomeistaan ​​lähteneistä elektroneista voi siirtyä kappaleesta toiseen. Tässä tapauksessa elektronien siirtymät eivät ylitä atomien välisten etäisyyksien kokoa. Mutta jos kappaleet erotetaan kitkan jälkeen, ne latautuvat; keho, joka on luovuttanut osan elektroneistaan, varautuu positiivisesti, ja keho, joka on hankkinut ne, on negatiivisesti varautunut.

Joten kappaleet sähköistyvät, eli ne saavat sähkövarauksen, kun ne menettävät tai saavat elektroneja. Joissakin tapauksissa sähköistyminen johtuu ionien liikkeestä. Tässä tapauksessa uusia sähkövarauksia ei synny. Käytettävissä olevat varaukset jakautuvat vain sähköistettyjen kappaleiden kesken: osa negatiivisista varauksista siirtyy kappaleesta toiseen.

Maksun määritelmä.

On syytä korostaa, että varaus on hiukkasen luontainen ominaisuus. Hiukkanen ilman varausta voidaan kuvitella, mutta varausta ilman hiukkasta ei voida kuvitella.

Varautuneet hiukkaset ilmenevät vetovoimana (vastakkaiset varaukset) tai torjunnassa (samannimiset varaukset) voimilla, jotka ovat monta suuruusluokkaa suurempia kuin gravitaatiovoimat. Siten elektronin sähköinen vetovoima vetyatomin ytimeen on 10 39 kertaa suurempi kuin näiden hiukkasten painovoiman vetovoima. Varautuneiden hiukkasten välistä vuorovaikutusta kutsutaan sähkömagneettinen vuorovaikutus, ja sähkövaraus määrittää sähkömagneettisten vuorovaikutusten voimakkuuden.

Nykyaikaisessa fysiikassa varaus määritellään seuraavasti:

Sähkövaraus- tämä on fysikaalinen määrä, joka on sähkökentän lähde, jonka kautta hiukkasten vuorovaikutus varauksen kanssa tapahtuu.

3.1. Sähkövaraus

Jo muinaisina aikoina ihmiset huomasivat, että villan kanssa käytetty meripihkan pala alkaa houkutella erilaisia ​​pieniä esineitä: pölyhiukkasia, lankoja ja vastaavia. Voit helposti nähdä itse, että hiuksiasi vasten hierottu muovikampa alkaa vetää puoleensa pieniä paperinpaloja. Tätä ilmiötä kutsutaan sähköistys ja tässä tapauksessa toimivat voimat - sähköisiä voimia. Molemmat nimet tulevat kreikan sanasta elektroni, joka tarkoittaa meripihkaa.
Kun hierotaan kampaa hiuksia vasten tai eboniittitikkua villaa, esineitä vasten latautuvat, ne muodostuvat sähkövaraukset. Varautuneet kappaleet ovat vuorovaikutuksessa toistensa kanssa ja niiden välille syntyy sähkövoimia.
Kiinteiden aineiden lisäksi myös nesteet ja jopa kaasut voivat sähköistää kitkan avulla.
Kun kappaleet sähköistetään, sähköistettyjen kappaleiden muodostavat aineet eivät muutu muiksi aineiksi. Sähköistyminen on siis fysikaalinen ilmiö.
Sähkövarauksia on kahta eri tyyppiä. Niitä kutsutaan melko perinteisesti " positiivinen" lataus ja " negatiivinen" lataus (ja niitä voitaisiin kutsua "mustiksi" ja "valkoisiksi", tai "kauniiksi" ja "kauheiksi" tai joksikin muuksi).
positiivisesti varautunut Kappaleiksi kutsutaan kappaleita, jotka vaikuttavat muihin varautuneisiin esineisiin samalla tavalla kuin silkkiä vastaan ​​kitkan avulla sähköistetty lasi.
negatiivisesti latautunut he kutsuvat kappaleita, jotka vaikuttavat muihin varautuneisiin esineisiin samalla tavalla kuin tiivistevahaa, joka on sähköistetty kitkan avulla villaa vastaan.
Varautuneiden kappaleiden ja hiukkasten pääominaisuus: Samalla tavalla varautuneet kappaleet ja hiukkaset hylkivät, ja vastakkaisesti varautuneet kappaleet vetävät puoleensa. Kokeissa sähkövarausten lähteillä tutustut myös joihinkin muihin näiden varausten ominaisuuksiin: varaukset voivat "virrata" esineestä toiseen, kerääntyä, varattujen kappaleiden välillä voi tapahtua sähköpurkaus ja niin edelleen. Opit näitä ominaisuuksia yksityiskohtaisesti fysiikan kurssilla.

3.2. Coulombin laki

Sähkövaraus ( K tai q) on fysikaalinen suure, se voi olla enemmän tai vähemmän, ja siksi se voidaan mitata. Mutta fyysikot eivät voi vielä suoraan verrata varauksia keskenään, joten he eivät vertaa itse varauksia, vaan vaikutusta, jolla varautuneet kappaleet vaikuttavat toisiinsa tai muihin kappaleisiin, esimerkiksi voimaa, jolla varautunut kappale vaikuttaa toiseen. .

Kumpaankin kahdesta pistevarautuneesta kappaleesta vaikuttavat voimat (F) suuntautuvat vastakkain näitä kappaleita yhdistävää suoraa linjaa pitkin. Niiden arvot ovat keskenään yhtä suuret, suoraan verrannolliset näiden kappaleiden varausten tuloon (q 1 ) ja (q 2 ) ja ovat kääntäen verrannollisia niiden välisen etäisyyden (l) neliöön.

Tätä suhdetta kutsutaan "Coulombin laiksi" ranskalaisen fyysikon Charles Coulombin (1763-1806) kunniaksi, joka löysi sen vuonna 1785. Kemiallisesti tärkein Coulombin voimien riippuvuus varauksen etumerkistä ja varautuneiden kappaleiden välisestä etäisyydestä näkyy selvästi kuvassa. 3.1.

Sähkövarauksen mittayksikkö on riipus (määritelmä fysiikan kurssilla). 1 C:n varaus virtaa 100 watin hehkulampun läpi noin 2 sekunnissa (220 V:n jännitteellä).

3.3. alkeissähkövaraus

1800-luvun loppuun asti sähkön luonne oli epäselvä, mutta lukuisat kokeet johtivat tutkijat siihen johtopäätökseen, että sähkövarauksen suuruus ei voi muuttua jatkuvasti. Havaittiin, että sähköä on pienin, edelleen jakamaton osa. Tämän osan varausta kutsutaan "elementaariseksi sähkövaraukseksi" (merkitty kirjaimella e). Se osoittautui 1.6. 10-19 C. Tämä on hyvin pieni arvo - lähes 3 miljardia perussähkövarausta kulkee saman hehkulampun kierteen läpi yhdessä sekunnissa.
Mikä tahansa varaus on alkeissähkövarauksen kerrannainen, joten pienten varausten mittayksikkönä on kätevää käyttää perussähkövarausta. Täten,

1e= 1,6. 10-19 C.

1800- ja 1900-luvun vaihteessa fyysikot ymmärsivät, että elementaarisen negatiivisen sähkövarauksen kantaja on mikrohiukkanen, ns. elektroni(Joseph John Thomson, 1897). Alkuainepositiivisen varauksen kantaja on mikrohiukkanen ns protoni- löydettiin vähän myöhemmin (Ernest Rutherford, 1919). Samalla osoitettiin, että positiiviset ja negatiiviset sähkövaraukset ovat absoluuttisesti samat

Alkuainesähkövaraus on siis protonin varaus.
Seuraavassa luvussa tutustut muihin elektronin ja protonin ominaisuuksiin.

Huolimatta siitä, että fyysisten kappaleiden koostumus sisältää varautuneita hiukkasia, normaalitilassa kappaleet ovat varautumattomia tai sähköisesti neutraali. Monet monimutkaiset hiukkaset, kuten atomit tai molekyylit, ovat myös sähköisesti neutraaleja. Tällaisen hiukkasen tai kappaleen kokonaisvaraus osoittautuu nollaksi, koska hiukkasen tai kappaleen muodostavien elektronien lukumäärä ja protonien määrä ovat yhtä suuret.

Kappaleet tai hiukkaset varautuvat, jos sähkövaraukset erotetaan: yhdessä kappaleessa (tai hiukkasessa) on ylimäärä yhden merkin sähkövarauksia ja toisessa - toisen. Kemiallisissa ilmiöissä minkään merkin (positiivinen tai negatiivinen) sähkövaraus ei voi ilmaantua eikä kadota, koska vain yhden merkin sähkövarausten kantajat eivät voi ilmaantua tai kadota.

POSITIIVINEN SÄHKÖVARA, NEGATIIVINEN SÄHKÖVARA, LAADUTETTUJEN RUNKOJEN JA HIukkasten PÄÄOMINAISUUDET, COULOMBIN LAKI, ALUEELLINEN SÄHKÖLARAUS
1. Miten silkki latautuu, kun sitä hierotaan lasia vasten? Entä villa, kun sitä hierotaan tiivistevahaa vasten?
2. Kuinka monta elementaarista sähkövarausta on 1 riipuksessa?
3. Määritä voima, jolla kaksi kappaletta, joiden varaukset ovat +2 C ja -3 C, vetävät toisiaan puoleensa, jotka sijaitsevat 0,15 m etäisyydellä toisistaan.
4. Kaksi kappaletta, joiden varaukset ovat +0,2 C ja -0,2 C, ovat 1 cm:n etäisyydellä toisistaan. Määritä voima, jolla ne houkuttelevat.
5. Millä voimalla kaksi hiukkasta, joissa on sama varaus, joka on +3, hylkivät toisiaan e, ja sijaitsee 2 E? Vakion arvo Coulombin lain yhtälössä k= 9. 10 9 N. m 2 / Cl 2.
6. Millä voimalla protoni vetää puoleensa elektronia, jos niiden välinen etäisyys on 0,53 E? Entä protoni elektronille?
7. Kaksi samalla tavalla ja tasaisesti varattua palloa on yhdistetty kierteellä, joka ei johda varauksia. Langan keskiosa on kiinteästi kiinnitetty. Piirrä, kuinka nämä pallot sijoittuvat avaruuteen olosuhteissa, joissa painovoima voidaan jättää huomiotta.
8. Miten kolme samaa palloa sijoittuu samoissa olosuhteissa avaruuteen, sidottuna samanpituisilla langoilla yhteen tukeen? Ja neljä?
Kokeet varautuneiden kappaleiden houkuttelemisesta ja hylkimisestä.