Sažetak o elektrotehnici

Dovršio: Agafonov Roman

Agroindustrijska škola Luga

Nemoguće je dati kratku definiciju naknade koja bi bila zadovoljavajuća u svim aspektima. Navikli smo nalaziti razumljiva objašnjenja za vrlo složene formacije i procese kao što su atom, tekući kristali, raspodjela molekula po brzini itd. Ali najosnovniji, temeljni pojmovi, nedjeljivi na jednostavnije, lišeni, prema današnjoj znanosti, bilo kakvog unutarnjeg mehanizma, više se ne mogu ukratko objasniti na zadovoljavajući način. Pogotovo ako objekte ne percipiramo izravno našim osjetilima. Upravo se na te temeljne pojmove odnosi električni naboj.

Pokušajmo prvo otkriti ne što je električni naboj, već što se krije iza tvrdnje: ovo tijelo ili čestica ima električni naboj.

Vi znate da su sva tijela građena od sićušnih čestica, nedjeljivih u jednostavnije (koliko znanost sada zna) čestice, koje se stoga i zovu elementarne. Sve elementarne čestice imaju masu i zbog toga se međusobno privlače. Prema zakonu univerzalne gravitacije, sila privlačenja opada relativno sporo kako se udaljenost između njih povećava: obrnuto proporcionalno kvadratu udaljenosti. Osim toga, većina elementarnih čestica, iako ne sve, imaju sposobnost međusobnog djelovanja silom koja također opada obrnuto proporcionalno kvadratu udaljenosti, ali je ta sila golem broj puta veća od sile gravitacije. . Tako je u atomu vodika, shematski prikazanom na slici 1, elektron privučen jezgri (protonu) silom 1039 puta većom od sile gravitacijskog privlačenja.

Ako čestice međusobno djeluju silama koje polako opadaju s povećanjem udaljenosti i višestruko su veće od sila gravitacije, tada se kaže da te čestice imaju električni naboj. Same čestice nazivamo nabijenim. Postoje čestice bez električnog naboja, ali nema električnog naboja bez čestice.

Interakcije između nabijenih čestica nazivamo elektromagnetskim. Kada kažemo da su elektroni i protoni električno nabijeni, to znači da su sposobni za interakcije određenog tipa (elektromagnetske), i ništa više. Nedostatak naboja na česticama znači da ne otkriva takve interakcije. Električno punjenje određuje intenzitet elektromagnetskih međudjelovanja, kao što masa određuje intenzitet gravitacijskih međudjelovanja. Električni naboj je druga (nakon mase) najvažnija karakteristika elementarnih čestica, koja određuje njihovo ponašanje u okolnom svijetu.

Tako

Električni naboj je fizikalna skalarna veličina koja karakterizira svojstvo čestica ili tijela da stupaju u interakcije elektromagnetskih sila.

Električni naboj simboliziraju slova q ili Q.

Baš kao što se u mehanici često koristi koncept materijalne točke, što omogućuje značajno pojednostavljenje rješenja mnogih problema, pri proučavanju međudjelovanja naboja učinkovita je ideja točkastog naboja. Točkasti naboj je nabijeno tijelo čije su dimenzije znatno manje od udaljenosti od tog tijela do točke promatranja i drugih nabijenih tijela. Konkretno, ako govore o međudjelovanju dva točkasta naboja, tada pretpostavljaju da je udaljenost između dva razmatrana nabijena tijela znatno veća od njihovih linearnih dimenzija.

Električni naboj elementarne čestice nije poseban “mehanizam” u čestici koji bi se iz nje mogao skinuti, razložiti na sastavne dijelove i ponovno sastaviti. Prisutnost električnog naboja na elektronu i drugim česticama znači samo postojanje određenih međudjelovanja među njima.

U prirodi postoje čestice s nabojima suprotnih predznaka. Naboj protona naziva se pozitivnim, a naboj elektrona negativnim. Pozitivan predznak naboja na čestici ne znači, naravno, da ona ima neke posebne prednosti. Uvođenje naboja dva predznaka jednostavno izražava činjenicu da se nabijene čestice mogu i privlačiti i odbijati. Ako su predznaci naboja isti, čestice se odbijaju, a ako su predznaci različitih, čestice se privlače.

Trenutačno nema objašnjenja razloga postojanja dviju vrsta električnih naboja. U svakom slučaju, nema temeljnih razlika između pozitivnih i negativnih naboja. Kad bi se predznaci električnih naboja čestica promijenili u suprotne, tada se priroda elektromagnetskih međudjelovanja u prirodi ne bi promijenila.

Pozitivni i negativni naboji vrlo su dobro uravnoteženi u Svemiru. A ako je Svemir konačan, onda je njegov ukupni električni naboj, po svoj prilici, jednak nuli.

Najzanimljivija stvar je da je električni naboj svih elementarnih čestica strogo isti po veličini. Postoji minimalni naboj, nazvan elementarni, koji posjeduju sve nabijene elementarne čestice. Naboj može biti pozitivan, poput protona, ili negativan, poput elektrona, ali je modul naboja isti u svim slučajevima.

Nemoguće je odvojiti dio naboja, na primjer, od elektrona. To je možda ono što najviše iznenađuje. Niti jedna moderna teorija ne može objasniti zašto su naboji svih čestica isti, a nije u stanju izračunati vrijednost minimalnog električnog naboja. Utvrđuje se eksperimentalno pomoću raznih pokusa.

U 1960-ima, nakon što je broj novootkrivenih elementarnih čestica počeo alarmantno rasti, postavljena je hipoteza da su sve čestice koje su u snažnoj interakciji kompozitne. Fundamentalnije čestice zvale su se kvarkovi. Ono što je bilo zapanjujuće je da bi kvarkovi trebali imati frakcijski električni naboj: 1/3 i 2/3 elementarnog naboja. Za izgradnju protona i neutrona dovoljne su dvije vrste kvarkova. A njihov maksimalni broj, očito, ne prelazi šest.

Nemoguće je stvoriti makroskopski etalon jedinice električnog naboja, sličan etalonu duljine - metru, zbog neizbježnog curenja naboja. Bilo bi prirodno uzeti naboj elektrona kao jedan (to se danas radi u atomskoj fizici). Ali u Coulombovo vrijeme postojanje elektrona u prirodi još nije bilo poznato. Osim toga, naboj elektrona je premalen i stoga ga je teško koristiti kao standard.

Postoje dvije vrste električnih naboja, konvencionalno nazvani pozitivni i negativni. Pozitivno nabijena tijela su ona koja na druga nabijena tijela djeluju isto kao staklo naelektrizirano trenjem o svilu. Tijela koja djeluju na isti način kao ebonit naelektrizirana trenjem o vunu nazivamo negativno nabijena. Odabir naziva “pozitivan” za naboje koji nastaju na staklu, odnosno “negativan” za naboje na ebonitu, potpuno je slučajan.

Naboji se mogu prenositi (npr. izravnim kontaktom) s jednog tijela na drugo. Za razliku od mase tijela, električni naboj nije sastavna karakteristika određenog tijela. Isto tijelo pod različitim uvjetima može imati različit naboj.

Kao naboji odbijaju, za razliku od naboja privlače. Ovo također otkriva temeljnu razliku između elektromagnetskih i gravitacijskih sila. Gravitacijske sile su uvijek privlačne sile.

Važno svojstvo električnog naboja je njegova diskretnost. To znači da postoji neki najmanji, univerzalni, dalje nedjeljivi elementarni naboj, tako da je naboj q bilo kojeg tijela višekratnik tog elementarnog naboja:

,

gdje je N cijeli broj, e je vrijednost elementarnog naboja. Prema modernim konceptima, ovaj naboj je numerički jednak naboju elektrona e = 1,6∙10-19 C. Budući da je vrijednost elementarnog naboja vrlo mala, za većinu promatranih i u praksi korištenih nabijenih tijela broj N je vrlo velik, a diskretna priroda promjene naboja se ne pojavljuje. Stoga se smatra da se u normalnim uvjetima električni naboj tijela gotovo neprekidno mijenja.

Zakon održanja električnog naboja.

Unutar zatvorenog sustava s bilo kakvim interakcijama algebarski zbroj električni naboji ostaju konstantni:

.

Izoliranim (ili zatvorenim) sustavom nazvat ćemo sustav tijela u koji se električni naboji ne unose izvana i ne uklanjaju iz njega.

Nigdje i nikada u prirodi se ne pojavljuje niti nestaje električni naboj istog predznaka. Pojavu pozitivnog električnog naboja uvijek prati pojava jednakog negativnog naboja. Ni pozitivni ni negativni naboj ne mogu zasebno nestati, mogu se međusobno neutralizirati samo ako su jednaki po modulu.

Tako se elementarne čestice mogu pretvarati jedna u drugu. Ali uvijek se tijekom rađanja nabijenih čestica uočava pojava para čestica s nabojima suprotnog predznaka. Također se može promatrati istovremeno rađanje nekoliko takvih parova. Nabijene čestice nestaju, pretvarajući se u neutralne, također samo u parovima. Sve ove činjenice ne ostavljaju nikakvu sumnju o strogoj primjeni zakona održanja električnog naboja.

Još uvijek nije poznat razlog očuvanja električnog naboja.

Elektrifikacija tijela

Makroskopska tijela su u pravilu električki neutralna. Atom bilo koje tvari je neutralan jer je broj elektrona u njemu jednak broju protona u jezgri. Pozitivno i negativno nabijene čestice međusobno su povezane električnim silama i tvore neutralne sustave.

Veliko tijelo je nabijeno kada sadrži višak elementarnih čestica s istim predznakom naboja. Negativan naboj tijela nastaje zbog viška elektrona u odnosu na protone, a pozitivan naboj zbog njihovog nedostatka.

Da bi se dobilo električno nabijeno makroskopsko tijelo, ili, kako se kaže, da bi se ono naelektriziralo, potrebno je odvojiti dio negativnog naboja od pozitivnog naboja koji je s njim povezan.

Najlakši način da to učinite je trenjem. Prođete li češljem kroz kosu, mali dio najpokretljivijih nabijenih čestica - elektrona - preći će s kose na češalj i nabiti ga negativno, a kosa će postati pozitivno nabijena. Kada se naelektriziraju trenjem, oba tijela dobivaju naboje suprotnog predznaka, ali jednake veličine.

Trenjem je vrlo jednostavno naelektrizirati tijela. Ali objasniti kako se to događa pokazalo se vrlo teškim zadatkom.

1 verzija. Kod naelektrisanja tijela važan je blizak kontakt između njih. Električne sile drže elektrone unutar tijela. Ali za različite tvari te su sile različite. Pri bliskom kontaktu mali dio elektrona tvari u kojoj je veza elektrona s tijelom relativno slaba prelazi na drugo tijelo. Kretanja elektrona ne prelaze međuatomske udaljenosti (10-8 cm). Ali ako su tijela razdvojena, tada će oba biti optužena. Budući da površine tijela nikada nisu savršeno glatke, tijesan kontakt između tijela potreban za prijelaz uspostavlja se samo na malim površinama površina. Kada se tijela trljaju jedno o drugo, povećava se broj područja s bliskim kontaktom, a time se povećava i ukupan broj nabijenih čestica koje prelaze s jednog tijela na drugo. Ali nije jasno kako se elektroni mogu kretati u takvim nevodljivim tvarima (izolatorima) kao što su ebonit, pleksiglas i drugi. Vezani su u neutralne molekule.

Verzija 2. Na primjeru ionskog LiF kristala (izolatora) ovo objašnjenje izgleda ovako. Kada se formira kristal, razne vrste defekti, posebno prazna mjesta - nepopunjeni prostori u čvorovima kristalne rešetke. Ako broj slobodnih mjesta za pozitivne ione litija i negativne ione fluora nije isti, tada će kristal biti nabijen u volumenu nakon formiranja. Ali naboj u cjelini kristal ne može dugo zadržati. U zraku uvijek postoji određena količina iona, a kristal će ih izvlačiti iz zraka sve dok se naboj kristala ne neutralizira slojem iona na njegovoj površini. Različiti izolatori imaju različite prostorne naboje, pa su stoga i naboji površinskih slojeva iona različiti. Tijekom trenja površinski slojevi iona se miješaju, a kada se izolatori odvoje, svaki od njih postaje nabijen.

Mogu li se dva ista izolatora, na primjer isti kristali LiF, trenjem naelektrizirati? Ako imaju iste vlastite prostorne naboje, onda ne. Ali mogu imati i različite vlastite naboje ako su uvjeti kristalizacije bili različiti i pojavio se različit broj slobodnih mjesta. Kao što je iskustvo pokazalo, može doći do elektrifikacije tijekom trenja identičnih kristala rubina, jantara itd. Međutim, gornje objašnjenje vjerojatno neće biti točno u svim slučajevima. Ako se tijela sastoje, na primjer, od molekularnih kristala, tada pojava praznina u njima ne bi trebala dovesti do naelektrisanja tijela.

Drugi način elektrifikacije tijela je izlaganje različitim zračenjima (osobito ultraljubičastom, rendgenskom i γ-zračenju). Ova metoda je najučinkovitija za elektrificiranje metala, kada se pod utjecajem zračenja elektroni izbace s površine metala i vodič dobiva pozitivan naboj.

Elektrifikacija utjecajem. Vodič se naelektriše ne samo u kontaktu s nabijenim tijelom, već i kada je na određenoj udaljenosti. Istražimo ovaj fenomen detaljnije. Objesimo lagane listove papira na izolirani vodič (slika 3). Ako vodič nije nabijen u početku, listovi će biti u neskrivljenom položaju. Dovedimo sada izoliranu metalnu kuglicu, visoko nabijenu, do vodiča, na primjer, pomoću staklene šipke. Vidjet ćemo da su listovi obješeni na krajeve tijela, u točkama a i b, otklonjeni, iako nabijeno tijelo ne dodiruje vodič. Vodič je nabijen utjecajem, zbog čega je sama pojava nazvana “naelektrisanje utjecajem” ili “električna indukcija”. Naboji dobiveni električnom indukcijom nazivaju se inducirani ili inducirani. Listovi viseći na sredini tijela, na točkama a’ i b’, ne odstupaju. To znači da inducirani naboji nastaju samo na krajevima tijela, a njegova sredina ostaje neutralna, odnosno nenabijena. Prinošenjem naelektrizirane staklene šipke pločama obješenim u točkama a i b, lako se uvjerava da se ploče u točki b odbijaju od nje, a da se ploče u točki a privlače. To znači da se na udaljenom kraju vodiča pojavljuje naboj istog predznaka kao na kuglici, a na obližnjim dijelovima naboji drugog predznaka. Uklanjanjem nabijene kuglice vidjet ćemo da će se listovi spustiti. Pojava se odvija na potpuno sličan način ako ponovimo pokus negativnim naelektrisanjem kuglice (npr. pomoću pečatnog voska).

Sa stajališta elektronske teorije, te se pojave lako mogu objasniti postojanjem slobodnih elektrona u vodiču. Kada se na vodič primijeni pozitivan naboj, elektroni se privlače i nakupljaju na najbližem kraju vodiča. Na njemu se pojavljuje određeni broj "viška" elektrona i ovaj dio vodiča postaje negativno nabijen. Na udaljenom kraju postoji nedostatak elektrona i stoga višak pozitivnih iona: ovdje se pojavljuje pozitivan naboj.

Kada se negativno nabijeno tijelo približi vodiču, elektroni se nakupljaju na udaljenom kraju, a višak pozitivnih iona proizvodi se na bližem kraju. Nakon uklanjanja naboja koji uzrokuje kretanje elektrona, oni se ponovno raspoređuju po vodiču, tako da su svi njegovi dijelovi još uvijek nenabijeni.

Kretanje naboja duž vodiča i njihovo nakupljanje na njegovim krajevima nastavit će se sve dok utjecaj viška naboja formiranih na krajevima vodiča ne uravnoteži električne sile koje proizlaze iz kuglice, pod čijim utjecajem dolazi do preraspodjele elektrona. Odsutnost naboja u sredini tijela pokazuje da su ovdje u ravnoteži sile koje proizlaze iz kuglice i sile kojima višak naboja nakupljen na krajevima vodiča djeluje na slobodne elektrone.

Inducirani naboji se mogu razdvojiti ako se, u prisustvu nabijenog tijela, vodič podijeli na dijelove. Takvo iskustvo prikazano je na sl. 4. U ovom slučaju, istisnuti elektroni se više ne mogu vratiti natrag nakon uklanjanja nabijene kuglice; budući da se između oba dijela vodiča nalazi dielektrik (zrak). Višak elektrona se raspoređuje po lijevoj strani; nedostatak elektrona u točki b djelomično se nadoknađuje iz područja točke b', tako da se svaki dio vodiča ispostavlja nabijenim: lijevi - s nabojem suprotnim predznakom od naboja kuglice, desno - s nabojem istog imena kao i naboj lopte. Ne samo da se listovi u točkama a i b odvajaju, već i prethodno nepokretni listovi u točkama a’ i b’.

Burov L.I., Strelchenya V.M. Fizika od A do Z: za studente, pristupnike, mentore. – Mn.: Paradoks, 2000. – 560 str.

Myakishev G.Ya. Fizika: Elektrodinamika. 10-11 razredi: udžbenik. Za dubinsko proučavanje fizičari /G.Ya. Myakishev, A.Z. Sinyakov, B.A. Slobodskov. – M. Zh. Droplja, 2005. – 476 str.

Fizika: Udžbenik. dodatak za 10. razred. škola i napredne razrede studirao fizičari/ O. F. Kabardin, V. A. Orlov, E. E. Evenchik i dr.; ur. A. A. Pinsky. – 2. izd. – M.: Obrazovanje, 1995. – 415 str.

Elementarni udžbenik fizike: Vodič za učenje. U 3 sveska / Ed. G.S. Landsberg: T. 2. Elektricitet i magnetizam. – M: FIZMATLIT, 2003. – 480 str.

Protrljate li staklenu šipku o list papira, ona će steći sposobnost da privuče perjanice, dlačice i tanke mlazove vode. Kada suhu kosu češljate plastičnim češljem, kosa privlači češalj. U ovim jednostavnim primjerima susrećemo se s pojavom sila koje se nazivaju električnima.

Tijela ili čestice koje na okolne objekte djeluju električnim silama nazivamo nabijenim ili naelektriziranim. Na primjer, gore spomenuta staklena šipka, nakon što se trlja o komad papira, postaje naelektrizirana.

Čestice imaju električni naboj ako međusobno djeluju putem električnih sila. Električne sile opadaju s povećanjem udaljenosti između čestica. Električne sile su višestruko veće od sila univerzalne gravitacije.

Električni naboj je fizikalna veličina koja određuje intenzitet elektromagnetskih međudjelovanja.

Elektromagnetske interakcije su interakcije između nabijenih čestica ili tijela.

Električni naboji se dijele na pozitivne i negativne. Pozitivan naboj imaju stabilne elementarne čestice – protoni i pozitroni, kao i ioni atoma metala itd. Stabilni nosioci negativnog naboja su elektron i antiproton.

Postoje električki nenabijene čestice, odnosno neutralne: neutron, neutrino. Ove čestice ne sudjeluju u električnim interakcijama, jer je njihov električni naboj jednak nuli. Postoje čestice bez električnog naboja, ali električni naboj ne postoji bez čestice.

Na staklu natrljanom svilom pojavljuju se pozitivni naboji. Ebonit natrljan na krzno ima negativan naboj. Čestice se odbijaju s nabojima istih predznaka (slični naboji), a s različitim predznacima (suprotni naboji) čestice se privlače.

Sva su tijela sastavljena od atoma. Atomi se sastoje od pozitivno nabijene atomske jezgre i negativno nabijenih elektrona koji se kreću oko atomske jezgre. Atomska jezgra sastoji se od pozitivno nabijenih protona i neutralnih čestica – neutrona. Naboji u atomu raspoređeni su tako da je atom kao cjelina neutralan, odnosno da je zbroj pozitivnih i negativnih naboja u atomu jednak nuli.

Elektroni i protoni dio su svake tvari i najmanje su stabilne elementarne čestice. Te čestice mogu postojati u slobodnom stanju neograničeno vrijeme. Električni naboj elektrona i protona naziva se elementarni naboj.

Elementarni naboj je minimalni naboj koji imaju sve nabijene elementarne čestice. Električni naboj protona jednak je u apsolutnoj vrijednosti naboju elektrona:

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

Veličina bilo kojeg naboja višestruka je apsolutna vrijednost elementarnog naboja, odnosno naboja elektrona. Elektron u prijevodu s grčkog elektron - jantar, proton - s grčkog protos - prvi, neutron s latinskog neutrum - ni jedno ni drugo.

Jednostavni pokusi naelektrisanja raznih tijela ilustriraju sljedeće točke.

1. Postoje dvije vrste naboja: pozitivni (+) i negativni (-). Pozitivan naboj nastaje kada se staklo trlja o kožu ili svilu, a negativan kada se jantar (ili ebonit) trlja o vunu.

2. Naknade (ili nabijena tijela) međusobno djeluju. Iste optužbe odgurnuti, i za razliku od optužbi se privlače.

3. Stanje naelektriziranosti može se prenositi s jednog tijela na drugo, što je povezano s prijenosom električnog naboja. U tom slučaju na tijelo se može prenijeti veći ili manji naboj, tj. naboj ima veličinu. Pri naelektrisanju trenjem oba tijela dobivaju naboj, jedno je pozitivno, a drugo negativno. Treba naglasiti da su apsolutne vrijednosti naboja tijela naelektriziranih trenjem jednake, što potvrđuju brojna mjerenja naboja pomoću elektrometara.

Nakon otkrića elektrona i proučavanja strukture atoma postalo je moguće objasniti zašto se tijela tijekom trenja naelektriziraju (tj. naelektrišu). Kao što znate, sve se tvari sastoje od atoma; atomi se pak sastoje od elementarnih čestica – negativno nabijenih elektroni, pozitivno nabijen protoni i neutralne čestice - neutroni. Elektroni i protoni su nositelji elementarnih (minimalnih) električnih naboja.

Elementarni električni naboj ( e) - ovo je najmanji električni naboj, pozitivan ili negativan, jednak vrijednosti naboja elektrona:

e = 1,6021892(46) 10 -19 C.

Postoji mnogo nabijenih elementarnih čestica, a gotovo sve imaju naboj +e ili -e, međutim, te su čestice vrlo kratkog vijeka. Žive manje od milijuntinke sekunde. Samo elektroni i protoni postoje u slobodnom stanju neograničeno dugo.

Protoni i neutroni (nukleoni) čine pozitivno nabijenu jezgru atoma, oko koje kruže negativno nabijeni elektroni, čiji je broj jednak broju protona, tako da je atom kao cjelina snaga.

U normalnim uvjetima, tijela koja se sastoje od atoma (ili molekula) su električki neutralna. Međutim, tijekom procesa trenja, neki od elektrona koji su napustili svoje atome mogu prijeći s jednog tijela na drugo. Kretanja elektrona ne prelaze međuatomske udaljenosti. Ali ako se tijela razdvoje nakon trenja, ispostavit će se da su nabijena; tijelo koje je predalo dio svojih elektrona bit će nabijeno pozitivno, a tijelo koje ih je dobilo bit će nabijeno negativno.

Dakle, tijela se naelektriziraju, odnosno dobivaju električni naboj kada gube ili dobivaju elektrone. U nekim slučajevima elektrifikacija je uzrokovana kretanjem iona. U tom slučaju ne nastaju novi električni naboji. Postoji samo podjela postojećih naboja između naelektrizirajućih tijela: dio negativnih naboja prelazi s jednog tijela na drugo.

Određivanje naboja.

Posebno treba naglasiti da je naboj sastavno svojstvo čestice. Moguće je zamisliti česticu bez naboja, ali je nemoguće zamisliti naboj bez čestice.

Nabijene čestice manifestiraju se privlačenjem (suprotni naboji) ili odbijanjem (kao naboji) sa silama koje su mnogo redova veličine veće od gravitacijskih sila. Dakle, sila električnog privlačenja elektrona prema jezgri u atomu vodika je 10 39 puta veća od sile gravitacijskog privlačenja tih čestica. Međudjelovanje između nabijenih čestica naziva se elektromagnetska interakcija, a električni naboj određuje intenzitet elektromagnetskih međudjelovanja.

U modernoj fizici naboj se definira na sljedeći način:

Električno punjenje- Ovo fizička količina, koji je izvor električnog polja kroz koje dolazi do interakcije čestica s nabojem.

Električno punjenje– fizikalna veličina koja karakterizira sposobnost tijela da stupe u elektromagnetske interakcije. Mjereno u kulonima.

Elementarni električni naboj– minimalni naboj koji imaju elementarne čestice (naboj protona i elektrona).

Tijelo ima naboj, znači da ima viška ili nedostaju elektrone. Ova naknada je označena q=ne. (jednak je broju elementarnih naboja).

Naelektrizirati tijelo– stvaraju višak i manjak elektrona. Metode: naelektrisanje trenjem I elektrifikacija kontaktom.

Točka zore d je naboj tijela, koje se može uzeti kao materijalna točka.

Probno punjenje() – točka, mali naboj, uvijek pozitivan – koristi se za proučavanje električnog polja.

Zakon očuvanja naboja:u izoliranom sustavu, algebarski zbroj naboja svih tijela ostaje konstantan za bilo kakve međusobne interakcije tih tijela.

Coulombov zakon:sile međudjelovanja između dva točkasta naboja proporcionalne su umnošku tih naboja, obrnuto proporcionalne kvadratu udaljenosti između njih, ovise o svojstvima medija i usmjerene su duž pravca koji spaja njihova središta.

, Gdje

F/m, Cl 2 /nm 2 – dielektrik. brzo. vakuum

- odnosi se. dielektrična konstanta (>1)

- apsolutna dielektrična propusnost. okoliš

Električno polje– materijalni medij kroz koji dolazi do međudjelovanja električnih naboja.

Svojstva električnog polja:

Karakteristike električnog polja:

Napetost(E) je vektorska veličina jednaka sili koja djeluje na jedinični probni naboj smješten u danoj točki.

Mjereno u N/C.

Smjer– isto što i kod sile djelovanja.

Napetost ne ovisi ni na snagu ni na veličinu ispitnog naboja.

Superpozicija električnih polja: jakost polja koju stvara nekoliko naboja jednaka je vektorskom zbroju jakosti polja svakog naboja:

Grafički Elektroničko polje se prikazuje pomoću napetih linija.

Zatezna linija– pravac čija se tangenta u svakoj točki poklapa sa smjerom vektora napetosti.

Svojstva zateznih vodova: ne sijeku se, kroz svaku točku može se povući samo jedan pravac; nisu zatvorene, ostavljaju pozitivan naboj i ulaze u negativni ili se rasipaju u beskonačnost.

Vrste polja:

Jednoliko električno polje– polje čiji je vektor intenziteta u svakoj točki isti po veličini i smjeru.

Nejednoliko električno polje– polje čiji je vektor intenziteta u svakoj točki nejednake veličine i smjera.

Konstantno električno polje– vektor napetosti se ne mijenja.

Promjenjivo električno polje– mijenja se vektor napetosti.

Rad električnog polja za pomicanje naboja.

, gdje je F sila, S pomak, - kut između F i S.

Za uniformno polje: sila je konstantna.

Rad ne ovisi o obliku putanje; rad obavljen za kretanje po zatvorenoj stazi jednak je nuli.

Za nejednoliko polje:

Potencijal električnog polja– omjer rada koji polje obavlja, pomičući ispitni električni naboj u beskonačnost, i veličine tog naboja.

-potencijal– energetska karakteristika polja. Mjereno u voltima

Potencijalna razlika:

, To

, Sredstva

-potencijalni gradijent.

Za uniformno polje: razlika potencijala – napon:

. Mjeri se u Voltima, uređaji su voltmetri.

Električni kapacitet– sposobnost tijela da akumuliraju električni naboj; omjer naboja i potencijala, koji je uvijek konstantan za dati vodič.

.

Ne ovisi o naboju i ne ovisi o potencijalu. Ali to ovisi o veličini i obliku vodiča; na dielektrična svojstva medija.

, gdje je r veličina,

- propusnost okoline oko tijela.

Električni kapacitet se povećava ako se u blizini nalaze bilo kakva tijela - vodiči ili dielektrici.

Kondenzator– uređaj za akumuliranje naboja. Električni kapacitet:

Ravni kondenzator– dvije metalne ploče s dielektrikom između njih. Električni kapacitet ravnog kondenzatora:

, gdje je S površina ploča, d je udaljenost između ploča.

Energija nabijenog kondenzatora jednak radu električnog polja pri prijenosu naboja s jedne ploče na drugu.

Prijenos male naplate

, napon će se promijeniti u

, posao je gotov

. Jer

i C = const,

. Zatim

. Integrirajmo:

Energija električnog polja:

, gdje je V=Sl volumen koji zauzima električno polje

Za nejednoliko polje:

.

Volumetrijska gustoća električnog polja:

. Mjereno u J/m 3.

Električni dipol– sustav koji se sastoji od dva jednaka, ali suprotna predznaka, točkasta električna naboja koji se nalaze na određenoj udaljenosti jedan od drugoga (krak dipola -l).

Glavna karakteristika dipola je dipolni trenutak– vektor jednak umnošku naboja i kraka dipola, usmjeren od negativnog naboja prema pozitivnom. Određeni

. Mjereno u Coulomb metrima.

Dipol u jednoličnom električnom polju.

Na svaki naboj dipola djeluju sljedeće sile:

I

. Te sile su suprotno usmjerene i stvaraju moment para sila - moment:, gdje

M – moment F – sile koje djeluju na dipol

d – krak praga – krak dipola

p – dipolni moment E – napetost

- kut između p Eq – naboj

Pod utjecajem zakretnog momenta, dipol će se okretati i poravnati u smjeru linija napetosti. Vektori p i E bit će paralelni i jednosmjerni.

Dipol u nejednolikom električnom polju.

Postoji zakretni moment, što znači da će se dipol okretati. Ali sile će biti nejednake, a dipol će se pomaknuti tamo gdje je sila veća.

-gradijent napetosti. Što je veći gradijent napetosti, veća je bočna sila koja vuče dipol. Dipol je orijentiran duž linija sile.

Intrinzično polje dipola.

Ali. Zatim:

.

Neka je dipol u točki O, a njegov krak mali. Zatim:

.

Formula je dobivena uzimajući u obzir:

Dakle, razlika potencijala ovisi o sinusu polukuta pod kojim su vidljive dipolne točke i projekciji dipolnog momenta na ravnu crtu koja povezuje te točke.

Dielektrici u električnom polju.

Dielektrik- tvar koja nema slobodnih naboja, pa stoga ne provodi električnu struju. Međutim, zapravo, vodljivost postoji, ali je zanemariva.

Klase dielektrika:

kod polarnih molekula (voda, nitrobenzen): molekule nisu simetrične, središta mase pozitivnih i negativnih naboja se ne poklapaju, što znači da imaju dipolni moment i u slučaju kada nema električnog polja.

kod nepolarnih molekula (vodik, kisik): molekule su simetrične, središta mase pozitivnih i negativnih naboja se podudaraju, što znači da nemaju dipolni moment u odsutnosti električnog polja.

kristalni (natrijev klorid): kombinacija dviju podrešetki od kojih je jedna pozitivno, a druga negativno nabijena; u odsutnosti električnog polja, ukupni dipolni moment je nula.

Polarizacija– proces prostornog razdvajanja naboja, pojava vezanih naboja na površini dielektrika, što dovodi do slabljenja polja unutar dielektrika.

Metode polarizacije:

Metoda 1 – elektrokemijska polarizacija:

Na elektrodama – kretanje kationa i aniona prema njima, neutralizacija tvari; nastaju područja pozitivnih i negativnih naboja. Struja se postupno smanjuje. Brzina uspostavljanja mehanizma neutralizacije karakterizirana je vremenom relaksacije - to je vrijeme tijekom kojeg polarizacijska emf raste od 0 do maksimuma od trenutka primjene polja. = 10 -3 -10 -2 s.

Metoda 2 – orijentacijska polarizacija:

Na površini dielektrika nastaju nekompenzirani polarni, tj. javlja se pojava polarizacije. Napon unutar dielektrika manji je od vanjskog napona. Vrijeme opuštanja: = 10 -13 -10 -7 s. Frekvencija 10 MHz.

Metoda 3 – elektronska polarizacija:

Karakteristično za nepolarne molekule koje postaju dipoli. Vrijeme opuštanja: = 10 -16 -10 -14 s. Frekvencija 10 8 MHz.

Metoda 4 – polarizacija iona:

Dvije rešetke (Na i Cl) su pomaknute jedna u odnosu na drugu.

Vrijeme opuštanja:

Metoda 5 – mikrostrukturna polarizacija:

Karakteristično za biološke strukture kada se izmjenjuju nabijeni i nenabijeni slojevi. Dolazi do preraspodjele iona na polupropusnim ili iononepropusnim pregradama.

Vrijeme opuštanja: =10 -8 -10 -3 s. Frekvencija 1KHz

Numeričke karakteristike stupnja polarizacije:

Struja– to je uređeno kretanje slobodnih naboja u tvari ili u vakuumu.

Uvjeti za postojanje električne struje:

prisutnost besplatnih naknada

prisutnost električnog polja, tj. sile koje djeluju na te naboje

Snaga struje– vrijednost jednaka naboju koji prolazi kroz bilo koji presjek vodiča u jedinici vremena (1 sekunda)

Mjereno u amperima.

n – koncentracija naboja

q – vrijednost naboja

S – površina poprečnog presjeka vodiča

- brzina usmjerenog kretanja čestica.

Brzina gibanja nabijenih čestica u električnom polju je mala - 7 * 10 -5 m/s, brzina širenja električnog polja je 3 * 10 8 m/s.

Gustoća struje– količina naboja koja prođe kroz presjek od 1 m2 u 1 sekundi.

. Mjereno u A/m2.

- sila koja na ion djeluje iz električnog polja jednaka je sili trenja

- pokretljivost iona

- brzina usmjerenog kretanja iona = pokretljivost, jakost polja

Što je veća koncentracija iona, njihov naboj i pokretljivost, veća je specifična vodljivost elektrolita. S porastom temperature povećava se pokretljivost iona i električna vodljivost.

Na temelju promatranja međudjelovanja električki nabijenih tijela, američki fizičar Benjamin Franklin nazvao je neka tijela pozitivno, a druga negativno nabijena. Sukladno ovome i električni naboji nazvao pozitivan I negativan.

Tijela s istim nabojem se odbijaju. Tijela suprotnog naboja se privlače.

Ovi nazivi naboja prilično su konvencionalni, a njihovo jedino značenje je da se tijela s električnim nabojem mogu privlačiti ili odbijati.

Predznak električnog naboja tijela određen je interakcijom s konvencionalnim standardom predznaka naboja.

Kao jedan od tih standarda uzet je naboj ebonitnog štapa natrljanog krznom. Vjeruje se da ebonitni štap, nakon što se protrlja krznom, uvijek ima negativan naboj.

Ako je potrebno utvrditi koji je znak naboja danog tijela, ono se prinese ebonitnom štapiću, natrlja se krznom, fiksira u laganoj suspenziji i promatra se međudjelovanje. Ako se štap odbija, tada tijelo ima negativan naboj.

Nakon otkrića i proučavanja elementarnih čestica pokazalo se da negativni naboj uvijek ima elementarnu česticu - elektron.

Elektron (od grčkog - jantar) - stabilna elementarna čestica s negativnim električnim nabojeme = 1,6021892(46) . 10 -19 C, masa mirovanjam e =9.1095. 10 -19 kg. Otkrio ga je 1897. engleski fizičar J. J. Thomson.

Kao standard pozitivnog naboja uzet je naboj staklene šipke natrljane prirodnom svilom. Ako se štapić odbije od naelektriziranog tijela, tada to tijelo ima pozitivan naboj.

Pozitivan naboj uvijek ima proton, koji je dio atomske jezgre. Materijal sa stranice

Koristeći gornja pravila za određivanje znaka naboja tijela, morate imati na umu da on ovisi o supstanci tijela koja međusobno djeluju. Tako ebonitni štapić može imati pozitivan naboj ako se trlja krpom od sintetičkih materijala. Staklena šipka će imati negativan naboj ako se trlja krznom. Stoga, ako planirate dobiti negativan naboj na ebonitnom štapiću, svakako ga trebate koristiti kada ga trljate krznom ili vunenom tkaninom. Isto vrijedi i za naelektrisanje staklene šipke koja se trlja tkaninom od prirodne svile da bi se dobio pozitivan naboj. Samo elektron i proton uvijek i nedvosmisleno imaju negativan, odnosno pozitivan naboj.

Ova stranica sadrži materijale po temama.

« Fizika - 10. razred"

Prvo, razmotrimo najjednostavniji slučaj, kada električki nabijena tijela miruju.

Grana elektrodinamike koja se bavi proučavanjem stanja ravnoteže električki nabijenih tijela naziva se elektrostatika.

Što je električni naboj?
Koje su naknade?

Riječima elektricitet, električni naboj, električna struja susreli ste se mnogo puta i uspjeli se naviknuti na njih. Ali pokušajte odgovoriti na pitanje: "Što je električni naboj?" Sam koncept naplatiti- ovo je glavna stvar, primarni koncept, koji se na sadašnjoj razini razvoja našeg znanja ne mogu svesti ni na kakve jednostavnije, elementarne pojmove.

Pokušajmo najprije saznati što znači izjava: "Ovo tijelo ili čestica ima električni naboj."

Sva su tijela građena od najsitnijih čestica, koje su nedjeljive na jednostavnije te se stoga i zovu elementarni.

Elementarne čestice imaju masu i zbog toga se međusobno privlače prema zakonu univerzalne gravitacije. Kako se udaljenost između čestica povećava, gravitacijska sila opada obrnuto proporcionalno kvadratu te udaljenosti. Većina elementarnih čestica, iako ne sve, također ima sposobnost međusobnog djelovanja silom koja također opada obrnuto proporcionalno kvadratu udaljenosti, ali je ta sila višestruko veća od sile gravitacije.

Tako je u atomu vodika, shematski prikazanom na slici 14.1, elektron privučen jezgri (protonu) silom 10 39 puta većom od sile gravitacijskog privlačenja.

Ako čestice međusobno djeluju silama koje se smanjuju s povećanjem udaljenosti na isti način kao i sile univerzalne gravitacije, ali višestruko premašuju gravitacijske sile, tada se za te čestice kaže da imaju električni naboj. Same se čestice nazivaju nabijen.

Postoje čestice bez električnog naboja, ali nema električnog naboja bez čestice.

Međudjelovanje nabijenih čestica naziva se elektromagnetski.

Električni naboj određuje intenzitet elektromagnetskih međudjelovanja, kao što masa određuje intenzitet gravitacijskih međudjelovanja.

Električni naboj elementarne čestice nije poseban mehanizam u čestici koji bi se iz nje mogao skinuti, razložiti na sastavne dijelove i ponovno sastaviti. Prisutnost električnog naboja na elektronu i drugim česticama znači samo postojanje određenih međudjelovanja sila među njima.

Mi, u biti, ne znamo ništa o naboju ako ne poznajemo zakone tih međudjelovanja. Poznavanje zakona međudjelovanja treba uključiti u naše ideje o naboju. Ti zakoni nisu jednostavni i nemoguće ih je opisati u nekoliko riječi. Stoga je nemoguće dati dovoljno zadovoljavajuću kratku definiciju pojma električno punjenje.

Dva znaka električnih naboja.

Sva tijela imaju masu pa se međusobno privlače. Nabijena tijela mogu se međusobno privlačiti i odbijati. Ova najvažnija činjenica, vama poznata, znači da u prirodi postoje čestice s električnim nabojem suprotnih predznaka; kod naboja istog predznaka čestice se odbijaju, a kod različitih predznaka privlače.

Naboj elementarnih čestica - protoni, koji ulaze u sastav svih atomskih jezgri, nazivaju se pozitivnim, a naboj elektroni- negativno. Ne postoje unutarnje razlike između pozitivnih i negativnih naboja. Kad bi se predznaci naboja čestica obrnuli, tada se priroda elektromagnetskih međudjelovanja uopće ne bi promijenila.

Elementarni naboj.

Osim elektrona i protona, postoji još nekoliko vrsta nabijenih elementarnih čestica. Ali samo elektroni i protoni mogu postojati u slobodnom stanju neograničeno dugo. Ostatak nabijenih čestica živi manje od milijuntinke sekunde. Oni se rađaju tijekom sudara brzih elementarnih čestica i, nakon što su postojali beznačajno kratko vrijeme, raspadaju se, pretvarajući se u druge čestice. S tim ćete se česticama upoznati u 11. razredu.

Čestice koje nemaju električni naboj uključuju neutron. Njegova masa tek je malo veća od mase protona. Neutroni su zajedno s protonima dio atomske jezgre. Ako elementarna čestica ima naboj, tada je njegova vrijednost strogo određena.

Nabijena tijela Elektromagnetske sile u prirodi igraju veliku ulogu jer sva tijela sadrže električki nabijene čestice. Sastavni dijelovi atoma - jezgre i elektroni - imaju električni naboj.

Ne detektira se izravno djelovanje elektromagnetskih sila između tijela, jer su tijela u svom normalnom stanju električki neutralna.

Atom bilo koje tvari je neutralan jer je broj elektrona u njemu jednak broju protona u jezgri. Pozitivno i negativno nabijene čestice međusobno su povezane električnim silama i tvore neutralne sustave.

Makroskopsko tijelo je električki nabijeno ako sadrži višak elementarnih čestica s bilo kojim predznakom naboja. Dakle, negativan naboj tijela nastaje zbog viška elektrona u odnosu na broj protona, a pozitivan naboj zbog nedostatka elektrona.

Da bi se dobilo električki nabijeno makroskopsko tijelo, odnosno da bi se ono naelektriziralo, potrebno je odvojiti dio negativnog naboja od pozitivnog naboja koji mu je pridružen ili prenijeti negativni naboj na neutralno tijelo.

To se može učiniti pomoću trenja. Prođete li češljem kroz suhu kosu, tada će mali dio najpokretljivijih nabijenih čestica - elektrona - prijeći s kose na češalj i naelektrisati ga negativno, a kosa pozitivno.

Jednakost naboja tijekom elektrifikacije

Uz pomoć pokusa može se dokazati da naelektrizirana trenjem oba tijela dobivaju naboje suprotnih predznaka, ali identične veličine.

Uzmimo elektrometar na čijoj se šipki nalazi metalna kugla s rupom i dvije pločice na dugim drškama: jednu od tvrde gume, a drugu od pleksiglasa. Trljajući se jedna o drugu, ploče se naelektriziraju.

Unesimo jednu od ploča unutar sfere bez dodirivanja njezinih stijenki. Ako je ploča pozitivno nabijena, tada će dio elektrona s igle i šipke elektrometra biti privučen pločom i skupljen na unutarnjoj površini kugle. Istodobno, strelica će biti pozitivno nabijena i bit će odgurnuta od šipke elektrometra (slika 14.2, a).

Ako unesete drugu ploču unutar sfere, nakon što ste prvo uklonili prvu, tada će se elektroni s kugle i štapića odbiti od ploče i nakupiti u višku na strelici. To će uzrokovati odstupanje strelice od šipke, i to pod istim kutom kao u prvom pokusu.

Nakon što smo obje ploče spustili unutar sfere, uopće nećemo otkriti nikakvo odstupanje strelice (Sl. 14.2, b). To dokazuje da su naboji ploča jednaki po veličini i suprotnog predznaka.

Elektrifikacija tijela i njezine manifestacije. Tijekom trenja sintetičkih tkanina dolazi do značajne elektrifikacije. Kada na suhom zraku svučete majicu od sintetičkog materijala, čuje se karakteristično pucketanje. Male iskre skaču između nabijenih područja trljajućih površina.

U tiskarama se tijekom tiskanja papir naelektrizira te se listovi lijepe. Kako se to ne bi dogodilo, koriste se posebni uređaji za pražnjenje naboja. Međutim, ponekad se koristi elektrifikacija tijela u bliskom kontaktu, na primjer, u raznim elektrokopirnim instalacijama itd.

Zakon održanja električnog naboja.

Iskustvo s elektriziranjem ploča dokazuje da tijekom elektriziranja trenjem dolazi do preraspodjele postojećih naboja između tijela koja su prethodno bila neutralna. Mali dio elektrona prelazi s jednog tijela na drugo. U tom se slučaju nove čestice ne pojavljuju, a već postojeće ne nestaju.

Kada su tijela naelektrizirana, zakon održanja električnog naboja. Ovaj zakon vrijedi za sustav u koji nabijene čestice ne ulaze izvana i iz kojeg ne izlaze, tj. izolirani sustav.

U izoliranom sustavu algebarski zbroj naboja svih tijela je očuvan.

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

gdje su q 1, q 2 itd. naboji pojedinih nabijenih tijela.

Zakon održanja naboja ima duboko značenje. Ako se broj nabijenih elementarnih čestica ne mijenja, tada je ispunjenje zakona očuvanja naboja očito. Ali elementarne čestice se mogu pretvarati jedna u drugu, rađati se i nestajati, dajući život novim česticama.

Međutim, u svim slučajevima, nabijene čestice rađaju se samo u parovima s nabojima iste veličine i suprotnog predznaka; Nabijene čestice također nestaju samo u parovima, pretvarajući se u neutralne. I u svim tim slučajevima, algebarski zbroj naboja ostaje isti.

Valjanost zakona održanja naboja potvrđuju opažanja ogromnog broja transformacija elementarnih čestica. Ovaj zakon izražava jedno od najosnovnijih svojstava električnog naboja. Još uvijek nije poznat razlog zadržavanja naplate.

Definicija 1

Mnogi od onih oko nas fizičke pojave koji se javljaju u prirodi nisu objašnjeni u zakonima mehanike, termodinamike i molekularne kinetičke teorije. Takvi se fenomeni temelje na utjecaju sila koje djeluju između tijela na udaljenosti i neovisno o masama tijela koja međusobno djeluju, što odmah poriče njihovu moguću gravitacijsku prirodu. Te se sile nazivaju elektromagnetski.

Čak su i stari Grci imali neko razumijevanje elektromagnetskih sila. Međutim, tek krajem 18. stoljeća započelo je sustavno, kvantitativno proučavanje fizikalnih pojava povezanih s elektromagnetskim međudjelovanjem tijela.

Definicija 2

Zahvaljujući napornom radu velika količina Znanstvenici su u 19. stoljeću dovršili stvaranje potpuno nove, harmonične znanosti koja se bavi proučavanjem magnetskih i električnih pojava. Tako je jedna od najvažnijih grana fizike dobila ime elektrodinamika.

Elektrika i struje koje stvaraju električni naboji i struje magnetska polja postali glavni predmet proučavanja.

Koncept naboja u elektrodinamici igra istu ulogu kao gravitacijska masa u Newtonovoj mehanici. Uključen je u temelj odjeljka i za njega je primarni.

Definicija 3

Električno punjenje je fizikalna veličina koja karakterizira svojstvo čestica ili tijela da stupaju u interakcije elektromagnetskih sila.

Slova q ili Q u elektrodinamici obično označavaju električni naboj.

Uzete zajedno, sve poznate eksperimentalno dokazane činjenice daju nam priliku izvući sljedeće zaključke:

Definicija 4

Postoje dvije vrste električnih naboja. To se konvencionalno nazivaju pozitivni i negativni naboji.

Definicija 5

Naboji se mogu prenositi (na primjer, izravnim kontaktom) između tijela. Električni naboj, za razliku od mase tijela, nije njegova sastavna karakteristika. Jedno određeno tijelo pod različitim uvjetima može uzeti drugačije značenje naplatiti.

Definicija 6

Kao naboji odbijaju, za razliku od naboja privlače. Ova činjenica otkriva još jednu temeljnu razliku između elektromagnetskih i gravitacijskih sila. Gravitacijske sile su uvijek privlačne sile.

Zakon održanja električnog naboja jedan je od temeljnih zakona prirode.

U izoliranom sustavu algebarski zbroj naboja svih tijela je konstantan:

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

Definicija 7

Zakon održanja električnog naboja kaže da se u zatvorenom sustavu tijela ne mogu promatrati procesi stvaranja ili nestanka naboja samo jednog predznaka.

S gledišta moderna znanost, nositelji naboja su elementarne čestice. Svaki obični predmet sastavljen je od atoma. Sastoje se od protona koji nose pozitivan naboj, negativno nabijenih elektrona i neutralnih čestica - neutrona. Protoni i neutroni su sastavni dio atomske jezgre, elektroni tvore elektronsku ljusku atoma. U modulu, električni naboji protona i elektrona su ekvivalentni i jednaki vrijednosti elementarnog naboja e.

U neutralnom atomu broj elektrona u ljusci i protona u jezgri je isti. Broj bilo koje od navedenih čestica naziva se atomski broj.

Takav atom ima sposobnost i gubitka i dobivanja jednog ili više elektrona. Kada se to dogodi, neutralni atom postaje pozitivno ili negativno nabijen ion.

Naboj može prijeći s jednog tijela na drugo samo u dijelovima koji sadrže cijeli broj elementarnih naboja. Ispada da je električni naboj tijela diskretna veličina:

q = ± n e (n = 0, 1, 2,...).

Definicija 8

Fizičke veličine koje mogu poprimiti isključivo diskretan niz vrijednosti nazivaju se kvantiziran.

Definicija 9

Elementarni naboj e predstavlja kvantum, odnosno najmanji mogući dio električnog naboja.

Definicija 10

Donekle od svega navedenog stoji činjenica o postojanju u suvremenoj fizici elementarnih čestica tzv. kvarkovi– čestice s frakcijskim nabojem ± 1 3 e i ± 2 3 e.

Međutim, znanstvenici nikada nisu uspjeli promatrati kvarkove u slobodnom stanju.

Definicija 11

Za otkrivanje i mjerenje električnih naboja u laboratorijskim uvjetima Obično se koristi elektrometar - uređaj koji se sastoji od metalne šipke i kazaljke koja se može okretati oko horizontalne osi (slika 1. 1. 1).

Strelica je izolirana od metalnog tijela. U dodiru sa šipkom elektrometra nabijeno tijelo izaziva raspodjelu električnih naboja istog predznaka duž šipke i strelice. Utjecaj električnih sila odbijanja uzrokuje otklon igle pod određenim kutom, po kojemu se može odrediti naboj prenesen na šipku elektrometra.

Slika 1. 1 . 1 . Prijenos naboja s nabijenog tijela na elektrometar.

Elektrometar je prilično grub instrument. Njegova osjetljivost ne dopušta proučavanje sila međudjelovanja između naboja. Godine 1785. prvi put je otkriven zakon međudjelovanja stacionarnih naboja. Otkrivač je bio francuski fizičar C. Coulomb. U svojim pokusima mjerio je sile privlačenja i odbijanja nabijenih kuglica pomoću uređaja koji je sam konstruirao za mjerenje električnog naboja - torzijske vage (sl. 1, 1, 2), koja ima izuzetno visoku osjetljivost. Balansna greda je zarotirana za 1° pod silom od približno 10 – 9 N.

Ideja mjerenja temeljila se na pretpostavci fizičara da kada nabijena kuglica dođe u kontakt s jednako nenabijenom, postojeći naboj prve će se podijeliti na jednake dijelove između tijela. Tako je dobiven način da se naboj kuglice promijeni dva ili više puta.

Definicija 12

Coulomb je u svojim pokusima mjerio međudjelovanje loptica čije su veličine bile znatno manje od udaljenosti koja ih dijeli, zbog čega su se mogle zanemariti. Takva se nabijena tijela obično nazivaju točkasti naboji.

Slika 1. 1 . 2. Coulombov uređaj.

Slika 1. 1 . 3. Sile međudjelovanja između istovjetnih i nejednakih naboja.

Na temelju mnogih eksperimenata Coulomb je ustanovio sljedeći zakon:

Definicija 13

Sile međudjelovanja između stacionarnih naboja izravno su proporcionalne umnošku modula naboja i obrnuto proporcionalne kvadratu udaljenosti između njih: F = k q 1 · q 2 r 2 .

Sile međudjelovanja su odbojne sile s istim predznakom naboja i privlačne sile s različitim predznakom (sl. 1, 1, 3), a također se pokoravaju trećem Newtonovom zakonu:
F 1 → = - F 2 → .

Definicija 14

Coulombova ili elektrostatska interakcija je učinak stacionarnih električnih naboja jednih na druge.

Definicija 15

Grana elektrodinamike posvećena proučavanju Coulombove interakcije naziva se elektrostatika.

Coulombov zakon može se primijeniti na točkasta nabijena tijela. U praksi je potpuno zadovoljeno ako se dimenzije nabijenih tijela mogu zanemariti zbog udaljenosti između objekata međudjelovanja koja ih znatno premašuje.

Koeficijent proporcionalnosti k u Coulombovom zakonu ovisi o izboru sustava jedinica.

U Međunarodnom sustavu simbola mjerna jedinica električnog naboja je kulon (K l).

Definicija 16

Privjesak je naboj koji prolazi presjekom vodiča u 1 s pri jakosti struje od 1 A. Jedinica jakosti struje (amper) u CI je, uz jedinice za duljinu, vrijeme i masu, glavna mjerna jedinica .

Koeficijent k u CI sustavu se u većini slučajeva piše kao sljedeći izraz:

k = 1 4 π ε 0 .

U kojem je ε 0 = 8,85 · 10 - 12 K l 2 N · m 2 električna konstanta.

U sustavu C I elementarni naboj e jednak je:

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

Na temelju iskustva možemo reći da se sile Coulombove interakcije pokoravaju principu superpozicije.

Teorem 1

Ako nabijeno tijelo istodobno djeluje s nekoliko nabijenih tijela, tada je rezultirajuća sila koja djeluje na dano tijelo jednaka vektorskom zbroju sila koje na to tijelo djeluju od strane svih drugih nabijenih tijela.

Na slici 1. 1 . 4, na primjeru elektrostatske interakcije tri nabijena tijela, objašnjen je princip superpozicije.

Slika 1. 1 . 4 . Princip superpozicije elektrostatičkih sila F → = F 21 → + F 31 → ; F 2 → = F 12 → + F 32 → ; Ž 3 → = Ž 13 → + Ž 23 → .

Slika 1. 1 . 5 . Model međudjelovanja točkastih naboja.

Iako je načelo superpozicije temeljni zakon prirode, njegova uporaba zahtijeva određeni oprez kada se primjenjuje na međudjelovanje nabijenih tijela konačnih dimenzija. Primjer za to bile bi dvije vodljive nabijene kuglice 1 i 2. Ako se druga nabijena kuglica dovede u sličan sustav koji se sastoji od dvije nabijene kuglice, tada će interakcija između 1 i 2 pretrpjeti promjene zbog preraspodjele naboja.

Načelo superpozicije pretpostavlja da sile elektrostatske interakcije između bilo koja dva tijela ne ovise o prisutnosti drugih nabijenih tijela, pod uvjetom da je raspodjela naboja fiksna (dana).

Ako primijetite grešku u tekstu, označite je i pritisnite Ctrl+Enter

Jednostavni pokusi naelektrisanja raznih tijela ilustriraju sljedeće točke.

1. Postoje dvije vrste naboja: pozitivni (+) i negativni (-). Pozitivan naboj nastaje kada se staklo trlja o kožu ili svilu, a negativan kada se jantar (ili ebonit) trlja o vunu.

2. Naknade (ili nabijena tijela) međusobno djeluju. Iste optužbe odgurnuti, i za razliku od optužbi se privlače.

3. Stanje naelektriziranosti može se prenositi s jednog tijela na drugo, što je povezano s prijenosom električnog naboja. U tom slučaju na tijelo se može prenijeti veći ili manji naboj, tj. naboj ima veličinu. Pri naelektrisanju trenjem oba tijela dobivaju naboj, jedno je pozitivno, a drugo negativno. Treba naglasiti da su apsolutne vrijednosti naboja tijela naelektriziranih trenjem jednake, što potvrđuju brojna mjerenja naboja pomoću elektrometara.

Nakon otkrića elektrona i proučavanja strukture atoma postalo je moguće objasniti zašto se tijela tijekom trenja naelektriziraju (tj. naelektrišu). Kao što znate, sve se tvari sastoje od atoma; atomi se pak sastoje od elementarnih čestica – negativno nabijenih elektroni, pozitivno nabijen protoni i neutralne čestice - neutroni. Elektroni i protoni su nositelji elementarnih (minimalnih) električnih naboja.

Elementarni električni naboj ( e) je najmanji električni naboj, pozitivan ili negativan, jednak naboju elektrona:

e = 1,6021892(46) 10 -19 C.

Postoji mnogo nabijenih elementarnih čestica, a gotovo sve imaju naboj +e ili -e, međutim, te su čestice vrlo kratkog vijeka. Žive manje od milijuntinke sekunde. Samo elektroni i protoni postoje u slobodnom stanju neograničeno dugo.

Protoni i neutroni (nukleoni) čine pozitivno nabijenu jezgru atoma, oko koje se okreću negativno nabijeni elektroni, čiji je broj jednak broju protona, tako da je atom kao cjelina snaga.

U normalnim uvjetima, tijela koja se sastoje od atoma (ili molekula) su električki neutralna. Međutim, tijekom procesa trenja, neki od elektrona koji su napustili svoje atome mogu prijeći s jednog tijela na drugo. Kretanja elektrona ne prelaze međuatomske udaljenosti. Ali ako se tijela razdvoje nakon trenja, ispostavit će se da su nabijena; tijelo koje je predalo dio svojih elektrona bit će nabijeno pozitivno, a tijelo koje ih je dobilo bit će nabijeno negativno.

Dakle, tijela se naelektriziraju, odnosno dobivaju električni naboj kada gube ili dobivaju elektrone. U nekim slučajevima elektrifikacija je uzrokovana kretanjem iona. U tom slučaju ne nastaju novi električni naboji. Postoji samo podjela postojećih naboja između naelektrizirajućih tijela: dio negativnih naboja prelazi s jednog tijela na drugo.

Određivanje naboja.

Posebno treba naglasiti da je naboj sastavno svojstvo čestice. Možete zamisliti česticu bez naboja, ali ne možete zamisliti naboj bez čestice.

Nabijene čestice manifestiraju se privlačenjem (suprotni naboji) ili odbijanjem (kao naboji) sa silama koje su mnogo redova veličine veće od gravitacijskih sila. Dakle, sila električnog privlačenja elektrona prema jezgri u atomu vodika je 10 39 puta veća od sile gravitacijskog privlačenja tih čestica. Međudjelovanje između nabijenih čestica naziva se elektromagnetska interakcija, a električni naboj određuje intenzitet elektromagnetskih međudjelovanja.

U modernoj fizici naboj se definira na sljedeći način:

Električno punjenje je fizikalna veličina koja je izvor električnog polja kroz koje dolazi do međudjelovanja čestica s nabojem.

3.1. Električno punjenje

Još u davnim vremenima ljudi su primijetili da komad jantara nošen s vunom počinje privlačiti razne sitne predmete: mrvice prašine, niti i slično. Lako se i sami uvjerite da plastični češalj, trljajući kosu, počinje privlačiti komadiće papira. Ova pojava se zove elektrifikaciju, a sile koje u tom slučaju djeluju su električne sile. Oba imena potječu od grčke riječi electron, što znači jantar.
Pri trljanju češlja o kosu ili ebonitnog štapića po predmetima od vune punjenje, oni formiraju električni naboji. Nabijena tijela međusobno djeluju i među njima nastaju električne sile.
Ne samo krute tvari, već i tekućine, pa čak i plinovi mogu biti naelektrizirani trenjem.
Kada su tijela naelektrizirana, tvari koje čine naelektrizirana tijela ne prelaze u druge tvari. Dakle, elektrifikacija je fizički fenomen.
Postoje dvije različite vrste električnih naboja. Sasvim proizvoljno se nazivaju " pozitivan" naplatiti i " negativan" naboja (a mogli bi ih nazvati “crnim” i “bijelim”, ili “lijepim” i “užasnim”, ili nekako drugačije).
Pozitivno nabijen nazivaju tijela koja djeluju na druge nabijene objekte na isti način kao staklo naelektrizirano trenjem o svilu.
Negativno nabijen zovu tijela koja djeluju na druge nabijene objekte na isti način kao pečatni vosak naelektriziran trenjem o vunu.
Glavna svojstva nabijenih tijela i čestica: Vjerojatno nabijena tijela i čestice se odbijaju, a suprotno nabijena tijela privlače. U pokusima s izvorima električnih naboja upoznat ćete i neka druga svojstva ovih naboja: naboji mogu “teći” s jednog predmeta na drugi, nakupljati se, može doći do električnog pražnjenja između nabijenih tijela i sl. Ova svojstva ćete detaljno proučiti na tečaju fizike.

3.2. Coulombov zakon

Električno punjenje ( Q ili q) je fizikalna veličina, može biti veća ili manja, pa se stoga može mjeriti. Ali fizičari još nisu u stanju međusobno izravno uspoređivati ​​naboje, pa ne uspoređuju same naboje, već učinak koji nabijena tijela imaju jedno na drugo ili na druga tijela, na primjer, silu kojom jedno nabijeno tijelo djeluje na još.

Sile (F) koje djeluju na svako od dva točkasta nabijena tijela suprotno su usmjerene duž pravca koji povezuje ta tijela. Njihove vrijednosti su međusobno jednake, izravno proporcionalne umnošku naboja tih tijela (q 1 ) i (q 2 ) i obrnuto su proporcionalne kvadratu udaljenosti (l) između njih.

Taj se odnos naziva "Coulombov zakon" u čast francuskog fizičara Charlesa Coulomba (1763.-1806.) koji ga je otkrio 1785. godine. Ovisnost Coulombovih sila o predznaku naboja i udaljenosti između nabijenih tijela, što je najvažnije za kemiju, jasno je prikazano na sl. 3.1.

Mjerna jedinica električnog naboja je kulon (definicija u kolegiju fizike). Naboj od 1 C proteče kroz žarulju od 100 W za oko 2 sekunde (pri naponu od 220 V).

3.3. Elementarni električni naboj

Sve do kraja 19. stoljeća priroda elektriciteta ostala je nejasna, no brojni pokusi doveli su znanstvenike do zaključka da se veličina električnog naboja ne može kontinuirano mijenjati. Utvrđeno je da postoji najmanji, dalje nedjeljivi dio elektriciteta. Naboj ovog dijela naziva se "elementarni električni naboj" (označen slovom e). Ispostavilo se da je 1.6. 10–19 razreda To je vrlo mala vrijednost - gotovo 3 milijarde milijardi elementarnih električnih naboja prođe kroz žarnu nit iste žarulje u 1 sekundi.
Svaki naboj je višekratnik elementarnog električnog naboja, pa je zgodno koristiti elementarni električni naboj kao mjernu jedinicu za male naboje. Tako,

1e= 1,6. 10–19 razreda

Na prijelazu iz 19. u 20. stoljeće fizičari su shvatili da je nositelj elementarnog negativnog električnog naboja mikročestica tzv. elektron(Joseph John Thomson, 1897.). Nositelj elementarnog pozitivnog naboja je mikročestica tzv proton- otkriven je nešto kasnije (Ernest Rutherford, 1919.). Istodobno je dokazano da su pozitivni i negativni elementarni električni naboji jednaki po apsolutnoj vrijednosti

Dakle, elementarni električni naboj je naboj protona.
O ostalim karakteristikama elektrona i protona naučit ćete u sljedećem poglavlju.

Unatoč činjenici da u sastav fizičkih tijela ulaze nabijene čestice, u normalnom stanju tijela su nenaelektrizirana, tj. električki neutralan. Mnoge složene čestice, poput atoma ili molekula, također su električki neutralne. Ukupni naboj takve čestice ili takvog tijela ispada jednak nuli jer su broj elektrona i broj protona koji ulaze u sastav čestice ili tijela jednaki.

Tijela ili čestice postaju nabijene ako su električni naboji razdvojeni: na jednom tijelu (ili čestici) postoji višak električnih naboja jednog predznaka, a na drugom - drugog. U kemijskim pojavama električni naboj bilo kojeg predznaka (pozitivnog ili negativnog) ne može se pojaviti niti nestati, jer se ne mogu pojaviti niti nestati nositelji elementarnih električnih naboja samo jednog predznaka.

POZITIVNI ELEKTRIČNI NABOJ, NEGATIVNI ELEKTRIČNI NABOJ, OSNOVNA SVOJSTVA NABIJENIH TIJELA I ČESTICA, COULLOMBOV ZAKON, ELEMENTARNI ELEKTRIČNI NABOJ
1.Kako se svila puni kada se trlja o staklo? Što je s vunom kada se trlja o pečatni vosak?
2.Koji broj elementarnih električnih naboja čini 1 kulon?
3. Odredite silu kojom se privlače dva tijela s nabojem +2 C i –3 C, koja se nalaze jedno od drugog na udaljenosti od 0,15 m.
4. Dva tijela s nabojem +0,2 C i –0,2 C udaljena su jedno od drugoga 1 cm. Odredite snagu kojom se privlače.
5. Kolikom se silom odbijaju dvije čestice s istim nabojem jednakim +3? e, a nalazi se na udaljenosti od 2 E? Vrijednost konstante u jednadžbi Coulombovog zakona k= 9. 10 9 N. m 2 / Cl 2.
6. Kolikom silom elektron privlači proton ako je udaljenost između njih 0,53 E? Što je s protonom na elektron?
7. Dvije iste i jednako nabijene kuglice spojene su nevodljivom niti. Sredina niti je fiksno fiksirana. Nacrtajte kako će se te kuglice nalaziti u prostoru u uvjetima kada se sila teže može zanemariti.
8. Kako će se pod istim uvjetima u prostoru smjestiti tri jednake kuglice, vezane nitima jednake duljine za jedan nosač? Što kažeš na četiri?
Pokusi privlačenja i odbijanja nabijenih tijela.