מהו מטען שלילי וחיובי. האם מטענים בעלי אותו שם דוחים זה את זה או שהם נמשכים לאחד שלישי? מאפיינים מספריים של מידת הקיטוב

מאמר בנושא הנדסת חשמל

הושלם על ידי: רומן אגפונוב

מכללת לוגה אגרו-תעשייתית

אי אפשר לתת הגדרה קצרה של חיוב מספקת מכל הבחינות. אנחנו רגילים למצוא הסברים מובנים לתצורות ותהליכים מורכבים מאוד, כמו האטום, גבישים נוזליים, התפלגות מולקולות על מהירויות וכו'. אבל המושגים הבסיסיים והיסודיים ביותר, בלתי ניתנים לחלוקה לפשוטים יותר, נטולי, לפי המדע כיום, מכל מנגנון פנימי, אינם ניתנים להסבר בקצרה בצורה מספקת. במיוחד אם האובייקטים אינם נתפסים ישירות על ידי החושים שלנו. למושגים בסיסיים כאלה שייך המטען החשמלי.

תחילה ננסה לברר לא מהו מטען חשמלי, אלא מה מסתתר מאחורי האמירה, לגוף או לחלקיק נתון יש מטען חשמלי.

אתה יודע שכל הגופים בנויים מהקטנים ביותר, בלתי ניתנים לחלוקה לחלקיקים פשוטים יותר (ככל שהמדע ידוע כיום), אשר נקראים אפוא יסודיים. לכל חלקיקי היסוד יש מסה ובשל כך הם נמשכים זה לזה. לפי חוק הכבידה האוניברסלית, כוח המשיכה פוחת באיטיות יחסית ככל שהמרחק ביניהם גדל: ביחס הפוך לריבוע המרחק. בנוסף, לרוב החלקיקים היסודיים, אם כי לא כולם, יש יכולת לקיים אינטראקציה זה עם זה בכוח שיורד גם הוא הפוך בריבוע המרחק, אך כוח זה הוא מספר עצום, גדול פי שניים מכוח הכבידה. אז, באטום המימן, המוצג באופן סכמטי באיור 1, האלקטרון נמשך לגרעין (פרוטון) עם כוח גדול פי 1039 מכוח המשיכה הכבידה.

אם החלקיקים מקיימים אינטראקציה זה עם זה עם כוחות שיורדים באיטיות עם המרחק וגדולים פי כמה מכוחות הכבידה האוניברסלית, אזי אומרים שלחלקיקים הללו יש מטען חשמלי. החלקיקים עצמם נקראים טעונים. ישנם חלקיקים ללא מטען חשמלי, אך אין מטען חשמלי ללא חלקיק.

אינטראקציות בין חלקיקים טעונים נקראות אלקטרומגנטיות. כשאומרים שהאלקטרונים והפרוטונים טעונים חשמלית, זה אומר שהם מסוגלים לאינטראקציות מסוג מסוים (אלקטרומגנטיות), ותו לא. היעדר מטען על החלקיקים אומר שהוא לא מזהה אינטראקציות כאלה. מטען חשמליקובע את עוצמת האינטראקציות האלקטרומגנטיות, בדיוק כפי שמסה קובעת את עוצמת האינטראקציות הכבידה. מטען חשמלי הוא המאפיין השני בחשיבותו של חלקיקים יסודיים (אחרי מסה), הקובע את התנהגותם בעולם הסובב.

לכן

מטען חשמלי הוא כמות סקלרית פיזיקלית המאפיינת את התכונה של חלקיקים או גופים להיכנס לאינטראקציות של כוח אלקטרומגנטי.

מטען חשמלי מסומן באותיות q או Q.

כשם שבמכניקה משתמשים לרוב במושג נקודה חומרית, מה שמאפשר לפשט משמעותית את הפתרון של בעיות רבות, כאשר לומדים את האינטראקציה של מטענים, המושג מטען נקודתי מתברר כיעיל. מטען נקודתי הוא גוף טעון שמידותיו קטנות בהרבה מהמרחק מגוף זה לנקודת התצפית וגופים טעונים אחרים. בפרט, אם אנו מדברים על האינטראקציה של שני מטענים נקודתיים, אז אנו מניחים בכך שהמרחק בין שני הגופים הטעונים הנחשבים גדול בהרבה מהממדים הליניאריים שלהם.

המטען החשמלי של חלקיק יסודי אינו "מנגנון" מיוחד בחלקיק שניתן להסיר ממנו, להתפרק לחלקיו המרכיבים אותו ולהרכיבו מחדש. נוכחות של מטען חשמלי באלקטרון ובחלקיקים אחרים פירושה רק קיומן של אינטראקציות מסוימות ביניהם.

בטבע ישנם חלקיקים בעלי מטענים של סימנים מנוגדים. המטען של פרוטון נקרא חיובי, וזה של אלקטרון נקרא שלילי. הסימן החיובי למטען של חלקיק אינו אומר, כמובן, שיש לו יתרונות מיוחדים. הכנסת מטענים של שני סימנים פשוט מבטאת את העובדה שחלקיקים טעונים יכולים גם למשוך וגם לדחות. חלקיקים בעלי אותו סימן מטען דוחים זה את זה, ועם סימנים שונים הם מושכים.

אין הסבר לסיבות לקיומם של שני סוגי מטענים חשמליים כעת. בכל מקרה, לא נמצאו הבדלים מהותיים בין מטענים חיוביים ושליליים. אם הסימנים של המטענים החשמליים של החלקיקים היו הפוכים, אז אופי האינטראקציות האלקטרומגנטיות בטבע לא ישתנה.

מטענים חיוביים ושליליים מתוגמלים היטב ביקום. ואם היקום סופי, אזי המטען החשמלי הכולל שלו, ככל הנראה, שווה לאפס.

הדבר המדהים ביותר הוא שהמטען החשמלי של כל החלקיקים היסודיים זהה לחלוטין בערכם המוחלט. ישנו מטען מינימלי, הנקרא אלמנטרי, שיש לכל חלקיקי היסוד הטעונים. המטען יכול להיות חיובי, כמו פרוטון, או שלילי, כמו אלקטרון, אבל מודול המטען זהה בכל המקרים.

אי אפשר להפריד חלק מהמטען, למשל, מאלקטרון. זה אולי הדבר הכי מדהים. שום תיאוריה מודרנית לא יכולה להסביר מדוע המטענים של כל החלקיקים זהים, ואינה יכולה לחשב את ערכו של המטען החשמלי המינימלי. הוא נקבע בניסוי בעזרת ניסויים שונים.

בשנות ה-60, לאחר שמספר החלקיקים היסודיים שהתגלו לאחרונה החל לגדול בצורה מאיימת, הועלתה השערה שכל החלקיקים בעלי אינטראקציה חזקה הם מרוכבים. החלקיקים הבסיסיים יותר נקראו קווארקים. התברר כי לקווארקים יש מטען חשמלי חלקי: 1/3 ו-2/3 מהמטען היסודי. כדי לבנות פרוטונים וניוטרונים, מספיקים שני סוגים של קווארקים. ומספרם המקסימלי, ככל הנראה, אינו עולה על שש.

אי אפשר ליצור תקן מקרוסקופי של יחידת המטען החשמלי, בדומה לתקן האורך - מטר, בגלל דליפת המטען הבלתי נמנעת. זה יהיה טבעי לקחת את מטען האלקטרון כיחידה (זה נעשה כעת בפיזיקה האטומית). אבל בתקופתו של קולומב, עדיין לא היה ידוע קיומו של אלקטרון בטבע. בנוסף, מטען האלקטרונים קטן מדי ולכן קשה להשתמש בו כאסמכתא.

ישנם שני סוגים של מטענים חשמליים, הנקראים באופן מקובל חיובי ושלילי. גופים טעונים חיוביים הם אלו הפועלים על גופים טעונים אחרים באותו אופן כמו זכוכית המחשמלת על ידי חיכוך נגד משי. גופים בעלי מטען שלילי הם אלו הפועלים באותו אופן כמו אבוניט המחושמל על ידי חיכוך עם צמר. הבחירה בשם "חיובי" למטענים הנובעים על זכוכית ו"שליליים" למטענים על אבוניט היא מקרית לחלוטין.

ניתן להעביר חיובים (למשל במגע ישיר) מגוף אחד לאחר. בניגוד למסת הגוף, מטען חשמלי אינו מאפיין מובנה של גוף נתון. לאותו גוף בתנאים שונים יכול להיות מטען שונה.

כמו מטענים דוחים, בניגוד למטענים מושכים. זה גם מראה את ההבדל המהותי בין כוחות אלקטרומגנטיים לכוחות כבידה. כוחות כבידה הם תמיד כוחות משיכה.

תכונה חשובה של מטען חשמלי היא הדיסקרטיות שלו. זה אומר שישנו מטען יסודי קטן יותר, אוניברסלי, נוסף שאינו ניתן לחלוקה, כך שהמטען q של גוף כלשהו הוא כפולה של המטען היסודי הזה:

כאשר N הוא מספר שלם, e הוא הערך של המטען היסודי. לפי מושגים מודרניים, מטען זה שווה מספרית למטען האלקטרון e = 1.6∙10-19 C. מכיוון שגודל המטען היסודי קטן מאוד, עבור רוב הגופים הטעונים הנצפים ומשמשים בפועל, המספר N גדול מאוד, והטבע הבדיד של שינוי המטען אינו בא לידי ביטוי. לכן, הוא האמין כי בתנאים רגילים המטען החשמלי של גופים משתנה כמעט ללא הרף.

חוק שימור המטען החשמלי.

בתוך מערכת סגורה לכל אינטראקציה סכום אלגברימטענים חשמליים נשארים קבועים:

מערכת מבודדת (או סגורה) נכנה מערכת של גופים שלא מוכנסים אליה מטענים חשמליים מבחוץ ואינם מוסרים ממנה.

בשום מקום ואף פעם בטבע לא מתעורר ונעלם מטען חשמלי של אותו סימן. הופעתו של מטען חשמלי חיובי תמיד מלווה בהופעת מטען שלילי שווה בערכו המוחלט. לא מטען חיובי ולא שלילי יכולים להיעלם בנפרד, הם יכולים לנטרל זה את זה רק אם הם שווים בערכם המוחלט.

אז חלקיקים אלמנטריים מסוגלים להפוך זה לזה. אבל תמיד בלידתם של חלקיקים טעונים, נצפית הופעה של זוג חלקיקים עם מטענים של הסימן ההפוך. ניתן גם להבחין בלידה בו זמנית של כמה זוגות כאלה. חלקיקים טעונים נעלמים והופכים לנייטרליים, גם הם רק בזוגות. כל העובדות הללו אינן מותירות ספק לגבי היישום הקפדני של חוק שימור המטען החשמלי.

הסיבה לשימור המטען החשמלי עדיין לא ידועה.

חשמול של הגוף

גופים מקרוסקופיים הם, ככלל, ניטרליים מבחינה חשמלית. אטום של כל חומר הוא ניטרלי, שכן מספר האלקטרונים בו שווה למספר הפרוטונים בגרעין. חלקיקים בעלי מטען חיובי ושלילי מחוברים זה לזה על ידי כוחות חשמליים ויוצרים מערכות ניטרליות.

גוף גדול נטען כאשר הוא מכיל עודף של חלקיקים יסודיים בעלי אותו סימן מטען. המטען השלילי של הגוף נובע מעודף אלקטרונים בהשוואה לפרוטונים, והמטען החיובי נובע מחוסרם.

כדי להשיג גוף מקרוסקופי טעון חשמלית, או, כמו שאומרים, לחשמל אותו, יש צורך להפריד חלק מהמטען השלילי מהמטען החיובי הקשור אליו.

הדרך הקלה ביותר לעשות זאת היא באמצעות חיכוך. אם תעביר מסרק בשיער שלך, אז חלק קטן מהחלקיקים הטעונים הניידים ביותר - אלקטרונים - יעבור מהשיער למסרק ויטעין אותו בצורה שלילית, והשיער ייטען בצורה חיובית. כאשר מחושמלים על ידי חיכוך, שני הגופים רוכשים מטענים הפוכים בסימן, אך זהים בגודלם.

קל מאוד לחשמל גופים באמצעות חיכוך. אבל כדי להסביר איך זה קורה, זה התברר כמשימה קשה מאוד.

גרסה 1. כאשר מחשמלים גופים חשוב מגע קרוב ביניהם. כוחות חשמליים מחזיקים את האלקטרונים בתוך הגוף. אבל עבור חומרים שונים כוחות אלה שונים. במגע קרוב, חלק קטן מהאלקטרונים של אותו חומר, שבו חיבור האלקטרונים עם הגוף חלש יחסית, עובר לגוף אחר. במקרה זה, התזוזות של אלקטרונים אינן עולות על הגדלים של מרחקים בין-אטומיים (10-8 ס"מ). אבל אם יופרדו הגופות, אזי שניהם יחויבו. מכיוון שמשטחי הגופים לעולם אינם חלקים לחלוטין, המגע ההדוק בין הגופים הדרוש למעבר נוצר רק באזורים קטנים של המשטחים. כאשר גופים מתחככים זה בזה, מספר האזורים בעלי מגע קרוב גדל, ובכך גדל המספר הכולל של חלקיקים טעונים העוברים מגוף אחד למשנהו. אבל לא ברור איך אלקטרונים יכולים לנוע בחומרים לא מוליכים (מבודדים) כמו אבוניט, פרספקס ואחרים. הם קשורים במולקולות ניטרליות.

גרסה 2. בדוגמה של LiF גביש יוני (מבודד), ההסבר הזה נראה כך. במהלך היווצרות גביש, סוגים שוניםפגמים, בפרט משרות פנויות - מקומות לא מלאים בצמתים של סריג הגביש. אם מספר המקומות הפנויים עבור יוני ליתיום חיוביים ויונים שליליים עבור פלואור אינו זהה, אז הגביש ייטען לפי נפח במהלך היווצרותו. אבל לא ניתן לאחסן את המטען בכללותו בגביש לאורך זמן. תמיד יש כמות מסוימת של יונים באוויר, והגביש ישאב אותם מהאוויר עד שמטען הגביש ינוטרל על ידי שכבת היונים שעל פניו. עבור מבודדים שונים, מטעני החלל שונים, ולכן המטענים של שכבות פני השטח של היונים שונים. במהלך החיכוך, שכבות פני השטח של היונים מתערבבות, וכאשר המבודדים מופרדים, כל אחד מהם הופך לטעון.

והאם שני מבודדים זהים יכולים להתחשמל במהלך חיכוך, למשל, אותם גבישי LiF? אם יש להם אותם מטענים פנימיים במרחב, אז לא. אבל יכולים להיות להם גם מטענים פנימיים שונים אם תנאי ההתגבשות היו שונים והופיעו מספר שונה של מקומות פנויים. כפי שהוכיח הניסיון, חשמול בזמן חיכוך של גבישים זהים של אודם, ענבר וכו' אכן יכול להתרחש. עם זאת, הסבר זה אינו נכון כמעט בכל המקרים. אם הגופים מורכבים, למשל, מגבישים מולקולריים, אז הופעת מקומות פנויים בהם לא אמורה להוביל לטעינת הגוף.

שיטה נוספת לחשמול גופים היא ההשפעה עליהם של קרינות שונות (בפרט, קרינת אולטרה סגול, רנטגן ו-γ). שיטה זו היא היעילה ביותר לחשמול מתכות, כאשר אלקטרונים נדפקים מפני השטח של המתכת תחת פעולת הקרינה, והמוליך רוכש מטען חיובי.

חשמול באמצעות השפעה. המוליך נטען לא רק במגע עם גוף טעון, אלא גם כאשר הוא נמצא במרחק מסוים. בואו נחקור את התופעה הזו ביתר פירוט. אנו תולים גיליונות נייר קלים על מנצח מבודד (איור 3). אם המוליך לא נטען בתחילה, העלים יהיו במצב לא מבוטל. כעת ניגש אל המנצח עם כדור מתכת מבודד, טעון חזק, למשל, עם מוט זכוכית. נראה שהיריעות התלויות בקצוות הגוף, בנקודות a ו-b, מוסטות, למרות שהגוף הטעון אינו נוגע במוליך. המוליך נטען באמצעות השפעה, ולכן התופעה עצמה כונתה "חשמול באמצעות השפעה" או "אינדוקציה חשמלית". מטענים המתקבלים באינדוקציה חשמלית נקראים מושרה או מושרה. עלים תלויים ליד אמצע הגוף, בנקודות a' ו-b', אינם סוטים. המשמעות היא שמטענים מושרים מתעוררים רק בקצוות הגוף, בעוד האמצע שלו נשאר ניטרלי, או לא טעון. על ידי הבאת מוט זכוכית מחושמל ליריעות התלויות בנקודות a ו-b, קל לוודא שהיריעות בנקודה b נדחות ממנו, והיריעות בנקודה a נמשכות. המשמעות היא שבקצה המרוחק של המוליך נוצר מטען של אותו סימן כמו על הכדור, ומטענים של סימן אחר מתעוררים בחלקים סמוכים. לאחר הוצאת הכדור הטעון, נראה שהסדינים יפלו. התופעה מתרחשת בצורה אנלוגית לחלוטין אם חוזרים על הניסוי על ידי הטענה שלילית של הכדור (למשל בעזרת שעווה איטום).

מנקודת המבט של התיאוריה האלקטרונית, תופעות אלו מוסברות בקלות על ידי קיומם של אלקטרונים חופשיים במוליך. כאשר מטען חיובי מופעל על מוליך, אלקטרונים נמשכים אליו ומצטברים בקצה הקרוב ביותר של המוליך. על זה מספר מסוים של אלקטרונים "עודפים", וחלק זה של המוליך טעון שלילי. בקצה הרחוק יש מחסור באלקטרונים וכתוצאה מכך עודף של יונים חיוביים: כאן מופיע מטען חיובי.

כאשר מביאים גוף בעל מטען שלילי אל המוליך, מצטברים אלקטרונים בקצה המרוחק, ומתקבל עודף של יונים חיוביים בקצה הקרוב. לאחר הסרת המטען, הגורם לתנועת אלקטרונים, הם מתפזרים שוב על המוליך, כך שכל חלקיו עדיין אינם טעונים.

תנועת המטענים לאורך המוליך והצטברותם בקצותיו תימשך עד שהשפעת המטענים העודפים הנוצרים בקצות המוליך תאזן את אותם כוחות חשמליים הנובעים מהכדור, שבהשפעתם מתרחשת חלוקה מחדש של אלקטרונים. היעדר מטען באמצע הגוף מראה שהכוחות היוצאים מהכדור מאוזנים כאן, והכוחות שבהם פועלים המטענים העודפים שהצטברו בקצות המוליך על אלקטרונים חופשיים.

ניתן להפריד את המטענים המושרים אם, בנוכחות גוף טעון, המוליך מחולק לחלקים. חוויה כזו מוצגת באיור. 4. במקרה זה, האלקטרונים שנעקרו כבר לא יכולים לחזור בחזרה לאחר הסרת הכדור הטעון; מכיוון שיש דיאלקטרי (אוויר) בין שני חלקי המוליך. עודפי אלקטרונים מופצים על כל הצד השמאלי; המחסור באלקטרונים בנקודה b מתחדש חלקית מאזור נקודה b ', כך שכל חלק במוליך מתברר כטעונה: שמאל - עם מטען מנוגד למטען הכדור, ימין - עם מטען באותו שם כמו מטען הכדור. לא רק העלים מתפצלים בנקודות a ו-b, אלא גם היריעות שנותרו בעבר ללא תנועה בנקודות a' ו-b'.

Burov L.I., Strelchenya V.M. פיזיקה מא' עד ת': לסטודנטים, מועמדים, מורים. - מינסק: פרדוקס, 2000. - 560 עמ'.

מיאקישב ג.יא. פיזיקה: אלקטרודינמיקה. 10-11 תאים: ספר לימוד. ל מחקר מעמיקפיזיקה /G.Ya. מיאקישב, א.ז. סיניאקוב, B.A. סלובודסקוב. - M.Zh Drofa, 2005. - 476 עמ'.

פיזיקה: פרוק. קצבה ל-10 תאים. בית ספר ושיעורים עם העמקה. לימוד פיזיקאים / O. F. Kabardin, V. A. Orlov, E. E. Evenchik ואחרים; אד. א.א פינסקי. - מהדורה שנייה. – מ.: נאורות, 1995. – 415 עמ'.

ספר לימוד יסודי לפיזיקה: מדריך לימוד. ב-3 כרכים / אד. ג.ס. לנדסברג: ת' 2. חשמל ומגנטיות. - M: FIZMATLIT, 2003. - 480 עמ'.

אם אתה משפשף מוט זכוכית על גיליון נייר, אז המקל ירכוש את היכולת למשוך עלים של "סולטן", מוך, זרמי מים דקים. בסירוק שיער יבש עם מסרק פלסטיק, השיער נמשך למסרק. בדוגמאות הפשוטות הללו אנו נפגשים עם ביטוי של כוחות הנקראים חשמליים.

גופים או חלקיקים הפועלים על עצמים מסביב על ידי כוחות חשמליים נקראים טעונים או מחושמלים. לדוגמה, מוט הזכוכית שהוזכר לעיל, לאחר ששפשף אותו על דף נייר, הופך לחשמל.

לחלקיקים יש מטען חשמלי אם הם מקיימים אינטראקציה זה עם זה באמצעות כוחות חשמליים. כוחות חשמליים פוחתים ככל שהמרחק בין החלקיקים גדל. כוחות חשמליים גדולים פי כמה מכוחות הכבידה האוניברסלית.

מטען חשמלי הוא גודל פיזיקלי הקובע את עוצמת האינטראקציות האלקטרומגנטיות.

אינטראקציות אלקטרומגנטיות הן אינטראקציות בין חלקיקים או גופים טעונים.

מטענים חשמליים מתחלקים לחיוביים ושליליים. חלקיקים יסודיים יציבים - פרוטונים ופוזיטרונים וכן יונים של אטומי מתכת וכו' בעלי מטען חיובי. נושאי המטען השלילי היציבים הם האלקטרון והאנטיפרוטון.

ישנם חלקיקים בלתי טעונים חשמלית, כלומר ניטרליים: נויטרונים, ניטרינו. חלקיקים אלה אינם משתתפים באינטראקציות חשמליות, שכן המטען החשמלי שלהם הוא אפס. ישנם חלקיקים ללא מטען חשמלי, אך אין מטען חשמלי ללא חלקיק.

על זכוכית משופשפת במשי מתעוררים מטענים חיוביים. על אבוניט, עלוב על הפרווה - מטענים שליליים. חלקיקים דוחים עם מטענים מאותו סימן (כמו מטענים), ועם סימנים שונים (מטענים מנוגדים), חלקיקים מושכים.

כל הגופים מורכבים מאטומים. אטומים מורכבים מגרעין אטום בעל מטען חיובי ומאלקטרונים טעונים שלילי הנעים סביב גרעין האטום. גרעין האטום מורכב מפרוטונים בעלי מטען חיובי ומחלקיקים ניטרליים - נויטרונים. המטענים באטום מתפזרים בצורה כזו שהאטום בכללותו הוא ניטרלי, כלומר סכום המטענים החיוביים והשליליים באטום הוא אפס.

אלקטרונים ופרוטונים הם חלק מכל חומר והם החלקיקים היסודיים היציבים הקטנים ביותר. חלקיקים אלה יכולים להתקיים ללא הגבלת זמן במצב חופשי. המטען החשמלי של האלקטרון והפרוטון נקרא המטען היסודי.

המטען היסודי הוא המטען המינימלי שיש לכל חלקיקי היסוד הטעונים. המטען החשמלי של הפרוטון שווה בערכו המוחלט למטען האלקטרון:

e \u003d 1.6021892 (46) * 10-19 C

הערך של כל מטען הוא כפולה של הערך המוחלט של המטען היסודי, כלומר מטען האלקטרון. אלקטרון בתרגום מהאלקטרון היווני - ענבר, פרוטון - מהפרוטוס היווני - הראשון, נויטרון מהנייטרום הלטיני - לא זה ולא זה.

ניסויים פשוטים על חשמול של גופים שונים ממחישים את הנקודות הבאות.

1. ישנם שני סוגי מטענים: חיובי (+) ושלילי (-). מטען חיובי נוצר כאשר משפשפים זכוכית בעור או משי, ומטען שלילי מתרחש כאשר משפשפים ענבר (או אבוניט) בצמר.

2. חיובים (או גופות טעונות) מתקשרים זה עם זה. חיובים באותו שםלהדוף, ו בניגוד לאישומיםנמשכים.

3. ניתן להעביר את מצב החשמול מגוף אחד למשנהו, מה שקשור להעברת מטען חשמלי. במקרה זה, ניתן להעביר מטען גדול או קטן יותר לגוף, כלומר, למטען יש ערך. כאשר מחושמלים על ידי חיכוך, שני הגופים רוכשים מטען, אחד חיובי והשני שלילי. יש להדגיש כי הערכים האבסולוטיים של המטענים של גופים מחושמלים על ידי חיכוך שווים, דבר המאושר על ידי מדידות רבות של מטענים באמצעות אלקטרומטרים.

אפשר היה להסביר מדוע גופים מחושמלים (כלומר, טעונים) במהלך החיכוך לאחר גילוי האלקטרון וחקר מבנה האטום. כידוע, כל החומרים מורכבים מאטומים; אטומים, בתורם, מורכבים מחלקיקים יסודיים - בעלי מטען שלילי אלקטרונים, טעון במטען חיובי פרוטוניםוחלקיקים ניטרליים - נויטרונים. אלקטרונים ופרוטונים הם נשאים של מטענים חשמליים אלמנטריים (מינימליים).

מטען חשמלי אלמנטרי ( ה) - זהו המטען החשמלי הקטן ביותר, חיובי או שלילי, השווה לגודל מטען האלקטרונים:

ה = 1.6021892(46) 10 -19 C.

ישנם חלקיקים אלמנטריים טעונים רבים, וכמעט לכולם יש מטען. +eאוֹ -העם זאת, חלקיקים אלה הם קצרי מועד. הם חיים פחות ממיליונית השנייה. רק אלקטרונים ופרוטונים קיימים במצב חופשי ללא הגבלת זמן.

פרוטונים וניוטרונים (נוקלונים) מרכיבים את הגרעין הטעון חיובי של האטום, שסביבו מסתובבים אלקטרונים בעלי מטען שלילי, שמספרם שווה למספר הפרוטונים, כך שהאטום בכללותו הוא תחנת כוח.

בתנאים רגילים, גופים המורכבים מאטומים (או מולקולות) הם ניטרליים מבחינה חשמלית. עם זאת, בתהליך החיכוך, חלק מהאלקטרונים שעזבו את האטומים שלהם יכולים לעבור מגוף אחד למשנהו. במקרה זה, התזוזות של אלקטרונים אינן עולות על הגדלים של מרחקים בין-אטומיים. אבל אם יופרדו הגופים לאחר החיכוך, אז יחויבו; הגוף שתרם חלק מהאלקטרונים שלו יהיה טעון חיובי, והגוף שרכש אותם יהיה טעון שלילי.

אז, גופים מחושמלים, כלומר, הם מקבלים מטען חשמלי כאשר הם מאבדים או מקבלים אלקטרונים. במקרים מסוימים, חשמול נובע מתנועת יונים. מטענים חשמליים חדשים אינם מתעוררים במקרה זה. יש רק חלוקה של המטענים הזמינים בין הגופים המחושמלים: חלק מהמטענים השליליים עוברים מגוף אחד למשנהו.

הגדרת מטען.

יש להדגיש כי המטען הוא תכונה אינהרנטית של החלקיק. אפשר לדמיין חלקיק בלי מטען, אבל אי אפשר לדמיין מטען בלי חלקיק.

חלקיקים טעונים מתבטאים במשיכה (מטענים מנוגדים) או בדחייה (מטענים בעלי אותו שם) בכוחות שגדולים בסדרי גודל רבים מאלה של הכבידה. לפיכך, כוח המשיכה החשמלי של אלקטרון לגרעין באטום מימן גדול פי 10 39 מכוח המשיכה הכבידה של חלקיקים אלה. האינטראקציה בין חלקיקים טעונים נקראת אינטראקציה אלקטרומגנטית, והמטען החשמלי קובע את עוצמת האינטראקציות האלקטרומגנטיות.

בפיזיקה המודרנית, מטען מוגדר כדלקמן:

מטען חשמלי- זה כמות פיסית, שהוא מקור השדה החשמלי, שדרכו מתבצעת האינטראקציה של חלקיקים עם מטען.

מטען חשמלי- כמות פיזיקלית המאפיינת את יכולתם של גופים להיכנס לאינטראקציות אלקטרומגנטיות. נמדד בקולומב.

מטען חשמלי אלמנטרי- המטען המינימלי שיש לחלקיקים היסודיים (המטען של פרוטון ואלקטרון).

לגוף יש מטען, פירושו שיש לו אלקטרונים נוספים או חסרים. חיוב זה מסומן ש=לא. (הוא שווה למספר המטענים האלמנטריים).

לחשמל את הגוף- ליצור עודף ומחסור באלקטרונים. דרכים: חשמול על ידי חיכוךו חשמול באמצעות מגע.

להצביע על שחרה - מטען הגוף, שניתן לקחת אותו כנקודה חומרית.

כתב משפט() - נקודה, מטען קטן, חיובי בהכרח - משמשת לחקר השדה החשמלי.

חוק שימור המטען:במערכת מבודדת, הסכום האלגברי של המטענים של כל הגופים נשאר קבוע עבור כל אינטראקציה של גופים אלה זה עם זה.

חוק קולומב:כוחות האינטראקציה של שני מטענים נקודתיים הם פרופורציונליים למכפלת המטענים הללו, ביחס הפוך לריבוע המרחק ביניהם, תלויים בתכונות המדיום ומכוונים לאורך הקו הישר המחבר את מרכזים.

, איפה

F / m, C 2 / nm 2 - דיאלקטרי. מָהִיר. לִשְׁאוֹב

- מתייחס. קבוע דיאלקטרי (>1)

- חדירות דיאלקטרית מוחלטת. סביבות

שדה חשמלי- המדיום החומרי שדרכו מתרחשת האינטראקציה של מטענים חשמליים.

מאפייני שדה חשמלי:

מאפייני השדה החשמלי:

מתח(ה) הוא כמות וקטור השווה לכוח הפועל על מטען יחידת בדיקה המוצב בנקודה נתונה.

נמדד ב-N/C.

כיווןזהה לכוח הפעיל.

המתח אינו תלוילא בכוח ולא בגודל האישום במשפט.

סופרפוזיציה של שדות חשמליים: עוצמת השדה שנוצרה מכמה מטענים שווה לסכום הווקטור של עוצמות השדה של כל מטען:

בְּצוּרָה גְרָפִיתהשדה האלקטרוני מתואר באמצעות קווי מתח.

קו מתח- קו, שהמשיק אליו בכל נקודה חופף לכיוון וקטור המתח.

מאפייני קו מתח: הם אינם מצטלבים, ניתן לצייר רק קו אחד דרך כל נקודה; הם אינם סגורים, משאירים מטען חיובי ונכנסים למטען שלילי, או מתפוגגים עד אינסוף.

סוגי שדות:

שדה חשמלי אחיד- שדה שווקטור העוצמה שלו בכל נקודה זהה בערך ובכיוון המוחלט.

שדה חשמלי לא אחיד- שדה שווקטור העוצמה שלו בכל נקודה אינו זהה בערך ובכיוון המוחלט.

שדה חשמלי קבוע- וקטור המתח אינו משתנה.

שדה חשמלי לא קבוע- וקטור המתח משתנה.

עבודת השדה החשמלי להזיז את המטען.

, כאשר F הוא כוח, S הוא תזוזה, - זווית בין F ל-S.

לשדה אחיד: הכוח קבוע.

העבודה אינה תלויה בצורת המסלול; העבודה שנעשתה כדי לנוע בשביל סגור היא אפס.

עבור שדה לא הומוגני:

פוטנציאל שדה חשמלי- היחס בין העבודה שעושה השדה, הזזת המטען החשמלי הנסיוני לאינסוף, לגודל המטען הזה.

-פוטנציאלהוא המאפיין האנרגיה של השדה. נמדד בוולט

הבדל פוטנציאלי:

, זה

, אומר

-שיפוע פוטנציאלי.

עבור שדה הומוגני: הבדל פוטנציאל - מתח:

. זה נמדד בוולטים, מכשירים - מדי מתח.

קיבולת חשמלית- היכולת של גופים לצבור מטען חשמלי; היחס בין מטען לפוטנציאל, שהוא תמיד קבוע עבור מוליך נתון.

אינו תלוי במטען ואינו תלוי בפוטנציאל. אבל זה תלוי בגודל ובצורה של המנצח; על התכונות הדיאלקטריות של המדיום.

, כאשר r הוא הגודל,

- חדירות של המדיום סביב הגוף.

הקיבולת החשמלית גדלה אם יש גופים בקרבת מקום - מוליכים או דיאלקטריים.

קַבָּל- מכשיר לצבירת מטען. קיבולת חשמלית:

קבל שטוח- שתי לוחות מתכת עם דיאלקטרי ביניהן. קיבול של קבל שטוח:

, כאשר S הוא שטח הלוחות, d הוא המרחק בין הלוחות.

אנרגיה של קבל טעוןשווה לעבודה שעשה השדה החשמלי בהעברת מטען מלוח אחד לאחר.

העברה בתשלום קטן

, המתח ישתנה ל

, תבוצע עבודה

. כי

, ו-C \u003d const,

. לאחר מכן

. אנו משלבים:

אנרגיית שדה חשמלי:

, כאשר V=Sl הוא הנפח שתופס השדה החשמלי

לתחום לא הומוגני:

צפיפות שדה חשמלי וולומטרי:

. נמדד ב-J/m 3.

דיפול חשמלי- מערכת המורכבת משני מטענים חשמליים נקודתיים שווים אך מנוגדים בסימן הממוקמים במרחק מסוים זה מזה (זרוע דיפול -l).

המאפיין העיקרי של דיפול הוא רגע דיפולהוא וקטור השווה למכפלת המטען וזרוע הדיפול, המכוון ממטען שלילי לחיובי. מסומן

. נמדד במטרים קולומבים.

דיפול בשדה חשמלי אחיד.

הכוחות הפועלים על כל אחד מהמטענים של הדיפול הם:

. כוחות אלו מכוונים הפוך ויוצרים רגע של זוג כוחות - מומנט:, שבו

M - מומנט F - כוחות הפועלים על הדיפול

d– זרוע זרוע l– זרוע של הדיפול

p– מומנט דיפול E– עוצמת

- זווית בין p Eq - מטען

בפעולת מומנט, הדיפול יסתובב וישקע בכיוון קווי המתח. הוקטורים pi ו-E יהיו מקבילים וחד-כיווניים.

דיפול בשדה חשמלי לא הומוגני.

יש מומנט, אז הדיפול יסתובב. אבל הכוחות יהיו לא שווים, והדיפול ינוע למקום שבו הכוח גדול יותר.

-שיפוע מתח. ככל ששיפוע המתח גבוה יותר, כך הכוח הרוחבי שמושך את הדיפול גבוה יותר. הדיפול מכוון לאורך קווי הכוח.

השדה של דיפול עצמו.

אבל. לאחר מכן:

תן לדיפול להיות בנקודה O והזרוע שלו תהיה קטנה. לאחר מכן:

הנוסחה התקבלה תוך התחשבות:

לפיכך, הפרש הפוטנציאל תלוי בסינוס של חצי הזווית שבה נראות נקודות הדיפול, ובהקרנה של מומנט הדיפול על הקו הישר המחבר את הנקודות הללו.

דיאלקטרי בשדה חשמלי.

דיאלקטרי- חומר שאין לו מטענים חופשיים, ולכן אינו מוליך זרם חשמלי. עם זאת, למעשה, מוליכות קיימת, אך היא זניחה.

שיעורים דיאלקטריים:

עם מולקולות קוטביות (מים, ניטרובנזן): המולקולות אינן סימטריות, מרכזי המסה של מטענים חיוביים ושליליים אינם חופפים, מה שאומר שיש להן מומנט דיפול גם במקרה שאין שדה חשמלי.

עם מולקולות לא קוטביות (מימן, חמצן): המולקולות הן סימטריות, מרכזי המסה של מטענים חיוביים ושליליים חופפים, מה שאומר שאין להן מומנט דיפול בהיעדר שדה חשמלי.

גבישי (נתרן כלורי): שילוב של שני תת-סריגים, שאחד מהם טעון חיובי והשני טעון שלילי; בהיעדר שדה חשמלי, מומנט הדיפול הכולל הוא אפס.

קיטוב- תהליך ההפרדה המרחבית של מטענים, הופעת מטענים קשורים על פני השטח של הדיאלקטרי, מה שמוביל להיחלשות של השדה בתוך הדיאלקטרי.

דרכי קיטוב:

1 דרך - קיטוב אלקטרוכימי:

על האלקטרודות - תנועת קטיונים ואניונים לעברם, נטרול חומרים; נוצרים אזורים של מטענים חיוביים ושליליים. הזרם יורד בהדרגה. קצב ההתבססות של מנגנון הניטרול מאופיין בזמן הרפיה - זהו הזמן שבמהלכו יגדל ה-EMF של הקיטוב מ-0 למקסימום מרגע הפעלת השדה. = 10 -3 -10 -2 שניות.

שיטה 2 - קיטוב אוריינטציוני:

על פני השטח של הדיאלקטרי, נוצרים קוטביים לא מתוגמלים, כלומר. מתרחש קיטוב. המתח בתוך הדיאלקטרי קטן מהמתח החיצוני. זמן רגיעה: = 10 -13 -10 -7 ש'. תדר 10 מגה-הרץ.

תלת כיווני - קיטוב אלקטרוני:

מאפיין מולקולות לא קוטביות שהופכות לדיפולים. זמן רגיעה: = 10 -16 -10 -14 ש'. תדר 10 8 מגה-הרץ.

4 כיוונים - קיטוב יוני:

שני סריג (Na ו-Cl) נעקרים זה ביחס לזה.

זמן רגיעה:

שיטה 5 - קיטוב מיקרו מבני:

זה אופייני למבנים ביולוגיים כאשר שכבות טעונות ושכבות לא טעונות מתחלפות. יש חלוקה מחדש של יונים על מחיצות חצי חדירות או אטומות ליונים.

זמן רגיעה: \u003d 10 -8 -10 -3 שניות. תדר 1 קילו-הרץ

מאפיינים מספריים של מידת הקיטוב:

חַשְׁמַלהיא תנועה מסודרת של חיובים חינם בחומר או בוואקום.

תנאים לקיומו של זרם חשמלי:

נוכחות של חיובים בחינם

נוכחות של שדה חשמלי, כלומר. כוחות הפועלים לפי האשמות אלו

חוזק נוכחי- ערך השווה למטען שעובר דרך כל חתך רוחב של המוליך ליחידת זמן (שנייה אחת)

נמדד באמפר.

n הוא ריכוז המטענים

q הוא סכום החיוב

S- שטח חתך של המוליך

- מהירות התנועה המכוונת של חלקיקים.

מהירות התנועה של חלקיקים טעונים בשדה חשמלי קטנה - 7 * 10 -5 מ' / שניות, מהירות ההתפשטות של השדה החשמלי היא 3 * 10 8 מ' / שניות.

צפיפות נוכחית- כמות המטען העוברת בשנייה אחת דרך קטע של 1 מ"ר.

. נמדד ב-A/m 2.

- הכוח הפועל על היון מצד השדה החשמלי שווה לכוח החיכוך

- ניידות יונים

- מהירות תנועה מכוונת של יונים = ניידות, חוזק שדה

המוליכות הספציפית של האלקטרוליט היא גדולה יותר, ככל שריכוז היונים, מטענם וניידותם גדול יותר. ככל שהטמפרטורה עולה, ניידות היונים עולה והמוליכות החשמלית עולה.

בהתבסס על תצפיות על האינטראקציה של גופים טעונים חשמלית, הפיזיקאי האמריקאי בנג'מין פרנקלין כינה כמה גופים טעונים חיובית, בעוד שאחרים שליליים. בהתאם, ו מטענים חשמלייםשקוראים לו חִיוּבִיו שלילי.

גופים עם מטענים דומים דוחים זה את זה. גופים עם מטענים הפוכים מושכים.

שמות המטענים האלה הם די שרירותיים, והמשמעות היחידה שלהם היא שגופים שיש להם מטענים חשמליים יכולים למשוך או להדוף.

סימן המטען החשמלי של הגוף נקבע על ידי האינטראקציה עם התקן המותנה של סימן המטען.

כאחד מהסטנדרטים הללו, נלקח המטען של מקל אבוניט שנלבש עם פרווה. הוא האמין כי מקל אבוניט לאחר שפשוף עם פרווה תמיד יש מטען שלילי.

אם יש צורך לקבוע איזה סימן למטען של גוף נתון, הוא מובא למוט אבוניט, משוחק עם פרווה, קבוע בהשעיה קלה, והאינטראקציה נצפית. אם המקל נדחה, אז לגוף יש מטען שלילי.

לאחר הגילוי והמחקר של חלקיקים יסודיים, התברר שכן מטען שליליתמיד יש חלק יסודי-ca - אֶלֶקטרוֹן.

אֶלֶקטרוֹן (מיוונית - ענבר) - חלקיק יסודי יציב בעל מטען חשמלי שליליe = 1.6021892(46) . 10 -19 C, מסת מנוחהאני =9.1095. 10 -19 ק"ג. התגלה בשנת 1897 על ידי הפיזיקאי האנגלי ג'יי ג'יי תומסון.

כסטנדרט של מטען חיובי, נלקח המטען של מוט זכוכית משופשף במשי טבעי. אם המקל דוחה מגוף מחושמל, אז לגוף הזה יש מטען חיובי.

מטען חיוביתמיד יש פּרוֹטוֹן,שהוא חלק מגרעין האטום. חומר מהאתר

באמצעות הכללים לעיל כדי לקבוע את סימן המטען של גוף, יש לזכור שזה תלוי במהות הגופים המקיימים אינטראקציה. אז, למקל אבוניט יכול להיות מטען חיובי אם הוא משופשף עם מטלית עשויה חומרים סינתטיים. למוט זכוכית יהיה מטען שלילי אם ישפשפו אותו בפרווה. לכן, כאשר מתכננים לקבל מטען שלילי על מקל אבוניט, אתה בהחלט צריך להשתמש פרווה או בד צמר בעת שפשוף. כך גם לגבי חשמול של מוט זכוכית, אותו משפשפים בבד עשוי משי טבעי לקבלת מטען חיובי. רק לאלקטרון ולפרוטון יש תמיד וייחודי מטען שלילי וחיובי, בהתאמה.

עמוד זה מכיל חומר בנושאים.

« פיזיקה - כיתה י'

הבה נבחן תחילה את המקרה הפשוט ביותר, כאשר גופים טעונים חשמלית נמצאים במנוחה.

קטע האלקטרודינמיקה המוקדש לחקר תנאי שיווי המשקל של גופים טעונים חשמלית נקרא אלקטרוסטטיקה.

מהו מטען חשמלי?
מהם ההאשמות?

עם מילים חשמל, מטען חשמלי, זרם חשמלינפגשתם הרבה פעמים והצלחתם להתרגל אליהם. אבל נסה לענות על השאלה: "מהו מטען חשמלי?" הקונספט עצמו לחייב- זה העיקרי מושג ראשוני, אשר אינו מצטמצם ברמת הפיתוח הנוכחית של הידע שלנו לשום מושג פשוט יותר ואלמנטרי.

תחילה ננסה לברר מה הכוונה באמירה: "לגוף או חלקיק נתון יש מטען חשמלי".

כל הגופים בנויים מהחלקיקים הקטנים ביותר, שאינם ניתנים לחלוקה לפשוטים יותר ולכן נקראים יְסוֹדִי.

לחלקיקים היסודיים יש מסה ובשל כך הם נמשכים זה לזה לפי חוק הכבידה האוניברסלית. ככל שהמרחק בין החלקיקים גדל, כוח הכבידה יורד ביחס הפוך לריבוע המרחק הזה. לרוב החלקיקים היסודיים, אם כי לא כולם, יש גם יכולת לקיים אינטראקציה זה עם זה בכוח שיורד גם הוא הפוך בריבוע המרחק, אך כוח זה גדול פי כמה מכוח הכבידה.

אז באטום המימן, המוצג באופן סכמטי באיור 14.1, האלקטרון נמשך לגרעין (פרוטון) עם כוח גדול פי 10 39 מכוח המשיכה הכבידה.

אם חלקיקים מקיימים אינטראקציה זה עם זה עם כוחות ההולכים ופוחתים עם הגדלת המרחק באותו אופן כמו כוחות הכבידה האוניברסליים, אך עולים על כוחות הכבידה פי כמה וכמה, אזי אומרים שלחלקיקים הללו יש מטען חשמלי. החלקיקים עצמם נקראים טעון.

ישנם חלקיקים ללא מטען חשמלי, אך אין מטען חשמלי ללא חלקיק.

האינטראקציה של חלקיקים טעונים נקראת אלקטרומגנטית.

מטען חשמלי קובע את עוצמת האינטראקציות האלקטרומגנטיות, בדיוק כפי שמסה קובעת את עוצמת האינטראקציות הכבידה.

המטען החשמלי של חלקיק אלמנטרי אינו מנגנון מיוחד בחלקיק שניתן היה להסיר ממנו, להתפרק לחלקיו המרכיבים אותו ולהרכיבו מחדש. נוכחות של מטען חשמלי באלקטרון ובחלקיקים אחרים פירושה רק קיומם של אינטראקציות כוחות מסוימות ביניהם.

אנו, בעצם, לא יודעים דבר על המטען, אם איננו יודעים את חוקי האינטראקציות הללו. ידע על חוקי האינטראקציות צריך להיכלל בהבנתנו את החיוב. הלכות אלו אינן פשוטות, ואי אפשר לומר אותן בכמה מילים. לכן, אי אפשר לתת הגדרה תמציתית מספקת למושג מטען חשמלי.

שני סימנים למטענים חשמליים.

לכל הגופים יש מסה ולכן מושכים זה את זה. גופים טעונים יכולים גם למשוך וגם לדחות זה את זה. עובדה חשובה זו, המוכרת לכם, פירושה שבטבע ישנם חלקיקים בעלי מטענים חשמליים בעלי סימנים מנוגדים; במקרה של מטענים מאותו סימן, החלקיקים דוחים, ובמקרה של סימנים שונים הם מושכים.

מטען של חלקיקים אלמנטריים - פרוטונים, שהם חלק מכל גרעיני האטום, נקרא חיובי, והמטען אלקטרונים- שלילי. אין הבדלים פנימיים בין מטענים חיוביים ושליליים. אם הסימנים של מטענים החלקיקים היו הפוכים, אז אופי האינטראקציות האלקטרומגנטיות לא ישתנה כלל.

מטען יסוד.

בנוסף לאלקטרונים ופרוטונים, ישנם עוד כמה סוגים של חלקיקים אלמנטריים טעונים. אבל רק אלקטרונים ופרוטונים יכולים להתקיים ללא הגבלת זמן במצב חופשי. שאר החלקיקים הטעונים חיים פחות ממיליונית השנייה. הם נולדים במהלך התנגשויות של חלקיקים יסודיים מהירים, ולאחר שהתקיימו זמן זניח, מתפרקים, הופכים לחלקיקים אחרים. את החלקיקים הללו תכירו בכיתה יא.

חלקיקים שאין להם מטען חשמלי כוללים נֵיטרוֹן. המסה שלו עולה רק במעט על המסה של פרוטון. ניוטרונים, יחד עם פרוטונים, הם חלק מגרעין האטום. אם לחלקיק יסודי יש מטען, אז ערכו מוגדר בקפדנות.

גופות טעונותכוחות אלקטרומגנטיים בטבע משחקים תפקיד עצום בשל העובדה שהרכב כל הגופים כולל חלקיקים טעונים חשמלית. לחלקים המרכיבים של האטומים - גרעינים ואלקטרונים - יש מטען חשמלי.

הפעולה הישירה של כוחות אלקטרומגנטיים בין גופים אינה מזוהה, מכיוון שהגופים במצב נורמלי הם ניטרליים חשמלית.

אטום של כל חומר הוא ניטרלי, שכן מספר האלקטרונים בו שווה למספר הפרוטונים בגרעין. חלקיקים בעלי מטען חיובי ושלילי מחוברים זה לזה על ידי כוחות חשמליים ויוצרים מערכות ניטרליות.

גוף מקרוסקופי טעון חשמלית אם הוא מכיל מספר עודף של חלקיקים אלמנטריים עם סימן מטען אחד כלשהו. אז המטען השלילי של הגוף נובע מעודף של מספר האלקטרונים בהשוואה למספר הפרוטונים, והמטען החיובי נובע מחוסר אלקטרונים.

על מנת לקבל גוף מקרוסקופי טעון חשמלית, כלומר לחשמל אותו, יש צורך להפריד חלק מהמטען השלילי מהמטען החיובי הקשור אליו, או להעביר מטען שלילי לגוף ניטרלי.

זה יכול להיעשות עם חיכוך. אם תעבירו מסרק על שיער יבש, אז חלק קטן מהחלקיקים הטעונים הניידים ביותר - אלקטרונים יעברו מהשיער למסרק ויטעינו אותו בצורה שלילית, והשיער ייטען בצורה חיובית.

שוויון חיובים במהלך חשמול

בעזרת הניסיון ניתן להוכיח שכאשר מחושמלים על ידי חיכוך, שני הגופים רוכשים מטענים הפוכים בסימן, אך זהים בגודלם.

ניקח אלקטרומטר שעל המוט שלו קבוע כדור מתכת עם חור ושתי לוחות על ידיות ארוכות: האחת מאבוניט והשנייה מפרספקס. כאשר מתחככים זה בזה, הצלחות מתחשמלות.

בואו נכניס את אחת הצלחות לתוך הכדור מבלי לגעת בקירות שלו. אם הצלחת טעונה חיובית, אז חלק מהאלקטרונים מהמחט ומוט האלקטרומטר יימשכו לצלחת ויתאספו על פני השטח הפנימיים של הכדור. במקרה זה, החץ יהיה טעון חיובי ויידחה ממוט האלקטרומטר (איור 14.2, א).

אם צלחת נוספת מוכנסת לתוך הכדור, לאחר שהוסרה קודם לכן את הראשונה, אז האלקטרונים של הכדור והמוט יידחו מהצלחת ויצטברו עודף על החץ. זה יגרום לחץ לסטות מהמוט, יתר על כן, באותה זווית כמו בניסוי הראשון.

לאחר שהורדנו את שתי הלוחות בתוך הכדור, לא נמצא כלל סטיה של החץ (איור 14.2, ב). זה מוכיח שמטענים של הלוחות שווים בגודלם ומנוגדים בסימן.

חשמול של גופים וביטוייו.חשמול משמעותי מתרחש במהלך חיכוך של בדים סינתטיים. כאשר מורידים חולצה מחומר סינטטי באוויר יבש, ניתן לשמוע פצפוץ אופייני. ניצוצות קטנים קופצים בין אזורים טעונים של משטחי שפשוף.

בבתי דפוס הנייר מתחשמל במהלך ההדפסה, והיריעות נצמדות זו לזו. כדי למנוע זאת, משתמשים במכשירים מיוחדים לניקוז המטען. עם זאת, לעיתים נעשה שימוש בחשמל של גופים במגע קרוב, למשל, במכונות אלקטרופיה שונות וכו'.

חוק שימור המטען החשמלי.

הניסיון עם חשמול של לוחות מוכיח שכאשר הם מחושמלים על ידי חיכוך, המטענים הקיימים מחולקים מחדש בין גופים שהיו בעבר ניטרליים. חלק קטן מהאלקטרונים עובר מגוף אחד למשנהו. במקרה זה, חלקיקים חדשים אינם מופיעים, והקיימים בעבר אינם נעלמים.

כאשר מחשמלים גופים, חוק שימור המטען החשמלי. חוק זה תקף למערכת שאינה נכנסת מבחוץ ושלא יוצאים ממנה חלקיקים טעונים, כלומר עבור מערכת מבודדת.

במערכת מבודדת, הסכום האלגברי של המטענים של כל הגופים נשמר.

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

כאשר q 1, q 2 וכו' הם המטענים של גופים טעונים בודדים.

לחוק שימור המטען יש משמעות עמוקה. אם מספר החלקיקים היסודיים הטעונים אינו משתנה, אזי הגשמת חוק שימור המטען ברורה מאליה. אבל חלקיקים יסודיים יכולים להפוך זה לזה, להיוולד ולהיעלם, לתת חיים לחלקיקים חדשים.

עם זאת, בכל המקרים, חלקיקים טעונים מיוצרים רק בזוגות עם מטענים באותו מודולוס ומנוגד בסימן; גם חלקיקים טעונים נעלמים רק בזוגות, והופכים לנייטרליים. ובכל המקרים הללו, הסכום האלגברי של המטענים נשאר זהה.

תוקפו של חוק שימור המטען מאושר על ידי תצפיות על מספר עצום של טרנספורמציות של חלקיקים יסודיים. חוק זה מבטא את אחת התכונות הבסיסיות ביותר של מטען חשמלי. הסיבה לשימור המטען עדיין לא ידועה.

הגדרה 1

רבים מהסובבים אותנו תופעות פיזיקליותהמתרחשים בטבע, אינם מוצאים הסבר בחוקי המכניקה, התרמודינמיקה והתיאוריה המולקולרית-קינטית. תופעות כאלה מבוססות על השפעת כוחות הפועלים בין גופים במרחק ובלתי תלויים בהמוני הגופים המקיימים אינטראקציה, מה שמכחיש מיד את טבעם הכבידתי האפשרי. כוחות אלו נקראים אלקטרומגנטית.

אפילו ליוונים הקדמונים היה מושג כלשהו על כוחות אלקטרומגנטיים. עם זאת, רק בסוף המאה ה-18 החל מחקר שיטתי וכמותי של תופעות פיזיקליות הקשורות לאינטראקציה האלקטרומגנטית של גופים.

הגדרה 2

בזכות עבודה קשה מספר גדולמדענים במאה ה-19 השלימו את יצירתו של מדע חדש לחלוטין, הרמוני העוסק בחקר תופעות מגנטיות וחשמליות. אז אחד הענפים החשובים ביותר של הפיזיקה נקרא אלקטרודינמיקה.

נוצר על ידי מטענים וזרמים חשמליים, חשמליים ו שדה מגנטיהפך למקצועות הלימוד העיקריים שלה.

מושג המטען באלקטרודינמיקה ממלא את אותו תפקיד כמו מסת הכבידה במכניקה הניוטונית. הוא נכלל ביסוד הסעיף והוא עיקרי עבורו.

הגדרה 3

מטען חשמליהיא כמות פיזיקלית המאפיינת את התכונה של חלקיקים או גופים להיכנס לאינטראקציות של כוח אלקטרומגנטי.

האותיות q או Q באלקטרודינמיקה מציינות בדרך כלל מטען חשמלי.

יחד, כל העובדות הידועות שהוכחו בניסוי מאפשרות לנו להסיק את המסקנות הבאות:

הגדרה 4

ישנם שני סוגים של מטענים חשמליים. אלה נקראים בשמות קונבנציונליים מטענים חיוביים ושליליים.

הגדרה 5

מטענים יכולים להעביר (למשל, במגע ישיר) בין גופים. מטען חשמלי, בניגוד למסת הגוף, אינו מאפיין אינטגרלי שלו. גוף ספציפי אחד בתנאים שונים יכול לקחת משמעות שונהלחייב.

הגדרה 6

כמו מטענים דוחים, בניגוד למטענים מושכים. עובדה זו חושפת הבדל מהותי נוסף בין כוחות אלקטרומגנטיים לכוחות כבידה. כוחות כבידה הם תמיד כוחות משיכה.

חוק שימור המטען החשמלי הוא אחד מחוקי הטבע הבסיסיים.

במערכת מבודדת, הסכום האלגברי של המטענים של כל הגופים אינו משתנה:

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

הגדרה 7

חוק שימור המטען החשמלי קובע שבמערכת סגורה של גופים לא ניתן לצפות בתהליכי לידת או היעלמות של מטענים של סימן אחד בלבד.

מנקודת מבט מדע מודרני, נושאי מטען הם חלקיקים אלמנטריים. כל עצם רגיל מורכב מאטומים. הם מורכבים מפרוטונים טעונים חיובית, אלקטרונים בעלי מטען שלילי וחלקיקים ניטרליים - נויטרונים. פרוטונים וניטרונים הם חלק בלתי נפרדגרעיני אטום, בעוד אלקטרונים יוצרים את מעטפת האלקטרונים של האטומים. לפי מודולוס, המטענים החשמליים של הפרוטון והאלקטרון שווים ושווים לערך המטען היסודי e.

באטום ניטרלי, מספר האלקטרונים בקליפה והפרוטונים בגרעין זהה. המספר של כל אחד מהחלקיקים הנתונים נקרא המספר האטומי.

לאטום כזה יש את היכולת גם לאבד וגם לצבור אלקטרונים אחד או יותר. כאשר זה קורה, האטום הנייטרלי הופך ליון בעל מטען חיובי או שלילי.

מטען יכול לעבור מגוף אחד למשנהו רק בחלקים, המכילים מספר שלם של מטענים יסודיים. מסתבר שהמטען החשמלי של הגוף הוא כמות בדידה:

q = ±n e (n = 0 , 1 , 2 , . . .).

הגדרה 8

נקראים כמויות פיזיות שיש להן את היכולת לקחת סדרת ערכים בדידה בלבד כמותי.

הגדרה 9

מטען אלמנטרי e מייצג קוונטי, כלומר, החלק הקטן ביותר האפשרי של מטען חשמלי.

הגדרה 10

עובדת הקיום בפיזיקת החלקיקים היסודיים המודרנית של מה שנקרא קווארקים– חלקיקים בעלי מטען חלקי ± 1 3 e ו ± 2 3 e .

עם זאת, מדענים מעולם לא הצליחו לצפות בקווארקים במדינה חופשית.

הגדרה 11

כדי לזהות ולמדוד מטענים חשמליים ב תנאי מעבדהבדרך כלל הם משתמשים באלקטרומטר - מכשיר המורכב ממוט מתכת וחץ שיכול להסתובב סביב ציר אופקי (איור 1. 1. 1).

ראש החץ מבודד ממארז המתכת. במגע עם המוט של האלקטרומטר, הגוף הטעון מעורר חלוקת מטענים חשמליים של אותו סימן לאורך המוט והמחט. פגיעת כוחות הדחייה החשמליים גורמת לסטייה של המחט בזווית מסוימת, שבאמצעותה ניתן לקבוע את המטען המועבר אל מוט האלקטרומטר.

תמונה 1 . 1 . 1 . העברת מטען מגוף טעון לאלקטרומטר.

אלקטרומטר הוא מכשיר גולמי למדי. רגישותו אינה מאפשרת לחקור את כוחות האינטראקציה של מטענים. בשנת 1785 התגלה לראשונה חוק האינטראקציה של חיובים קבועים. הפיזיקאי הצרפתי צ' קולומב הפך למגלה. בניסויים שלו הוא מדד את כוחות המשיכה והדחייה של כדורים טעונים באמצעות מכשיר שתכנן למדידת מטען חשמלי - מאזן פיתול (איור 1.1.2), בעל רגישות גבוהה במיוחד. הנדנדה של המאזניים הסתובבה 1 מעלות תחת פעולת כוח של כ 10 - 9 N.

רעיון המדידות התבסס על הניחוש של הפיזיקאי שכאשר כדור טעון בא במגע עם אותו כדור לא טעון, המטען הקיים של הראשון יחולק לחלקים שווים בין הגופים. כך התקבלה שיטה לשנות את מטען הכדור בפעמיים או יותר.

הגדרה 12

קולומב בניסויים שלו מדד את האינטראקציה בין הכדורים, שמידותיהם היו קטנות בהרבה מהמרחק המפריד ביניהם, שבגללו ניתן היה להזניח אותם. גופים טעונים כאלה נקראים חיובים נקודתיים.

תמונה 1 . 1 . 2. מכשיר קולומב.

תמונה 1 . 1 . 3 . כוחות אינטראקציה של מטענים דומים ולא דומים.

בהתבסס על ניסויים רבים, קולומב קבע את החוק הבא:

הגדרה 13

כוחות האינטראקציה של מטענים קבועים עומדים ביחס ישר למכפלת מודולי המטען ובפרופורציות הפוך לריבוע המרחק ביניהם: F = k q 1 · q 2 r 2 .

כוחות אינטראקציה הם כוחות דחייה עם אותם סימני מטענים וכוחות משיכה עם סימנים שונים (איור 1.1.3), וגם מצייתים לחוק השלישי של ניוטון:
F 1 → = - F 2 →.

הגדרה 14

אינטראקציה קולומבית או אלקטרוסטטית היא ההשפעה של מטענים חשמליים נייחים זה על זה.

הגדרה 15

קטע האלקטרודינמיקה המוקדש לחקר האינטראקציה של קולומב נקרא אלקטרוסטטיקה.

ניתן להחיל את חוק קולומב על גופים נקודתיים טעונים. בפועל, זה מתגשם במלואו אם ניתן להזניח את ממדי הגופים הטעונים בשל המרחק בין מושאי האינטראקציה הגדול מהם בהרבה.

מקדם המידתיות k בחוק קולומב תלוי בבחירת מערכת היחידות.

במערכת הבינלאומית C I, יחידת המדידה של המטען החשמלי היא התליון (K l).

הגדרה 16

תליון- זהו מטען העובר תוך 1 שניות דרך חתך המוליך בעוצמת זרם של 1 A. יחידת עוצמת הזרם (אמפר) ב-C I היא, יחד עם יחידות אורך, זמן ומסה, היחידה העיקרית של מדידה.

מקדם k במערכת C וברוב המקרים נכתב כביטוי הבא:

k = 1 4 π ε 0.

שבו ε 0 \u003d 8, 85 10 - 12 K l 2 N m 2 הוא קבוע חשמלי.

במערכת C AND, המטען היסודי e הוא:

e \u003d 1.602177 10 - 19 K l ≈ 1.6 10 - 19 K l.

בהתבסס על הניסיון, אנו יכולים לומר שכוחות האינטראקציה של קולומב מצייתים לעקרון הסופרפוזיציה.

משפט 1

אם גוף טעון מקיים אינטראקציה בו-זמנית עם מספר גופים טעונים, אזי הכוח המתקבל הפועל על גוף זה שווה לסכום הווקטור של הכוחות הפועלים על גוף זה מכל שאר הגופים הטעונים.

איור 1. 1 . 4, באמצעות הדוגמה של האינטראקציה האלקטרוסטטית של שלושה גופים טעונים, העיקרון של סופרפוזיציה מוסבר.

תמונה 1 . 1 . 4 . עקרון הסופרפוזיציה של כוחות אלקטרוסטטיים F → = F 21 → + F 31 → ; F 2 → = F 12 → + F 32 →; F 3 → = F 13 → + F 23 →.

תמונה 1 . 1 . 5 . מודל של אינטראקציה של מטענים נקודתיים.

למרות שעקרון הסופרפוזיציה הוא חוק יסוד של הטבע, השימוש בו דורש זהירות מסוימת כאשר הוא מיושם על האינטראקציה של גופים טעונים בגודל סופי. שני כדורים טעונים מוליכים 1 ו-2 יכולים לשמש דוגמה לכאלה. אם כדור טעון נוסף יובא למערכת כזו המורכבת משני כדורים טעונים, אזי האינטראקציה בין 1 ל-2 תשתנה עקב חלוקה מחדש של מטענים.

עקרון הסופרפוזיציה מניח שכוחות האינטראקציה האלקטרוסטטית בין כל שני גופים אינם תלויים בנוכחותם של גופים אחרים בעלי מטען, בתנאי שחלוקת המטענים קבועה (נתונה).

אם אתה מבחין בטעות בטקסט, אנא סמן אותה והקש Ctrl+Enter

ניסויים פשוטים על חשמול של גופים שונים ממחישים את הנקודות הבאות.

2. חיובים (או גופות טעונות) מתקשרים זה עם זה. חיובים באותו שםלהדוף, ו בניגוד לאישומיםנמשכים.

מטען חשמלי אלמנטרי ( ה) הוא המטען החשמלי הקטן ביותר, חיובי או שלילי, שווה למטען של אלקטרון:

ה = 1.6021892(46) 10 -19 C.

פרוטונים וניוטרונים (נוקלונים) מרכיבים את הגרעין הטעון חיובי של אטום, שסביבו מסתובבים אלקטרונים בעלי מטען שלילי, שמספרם שווה למספר הפרוטונים, כך שהאטום בכללותו הוא תחנת כוח.

הגדרת מטען.

יש להדגיש כי המטען הוא תכונה אינהרנטית של החלקיק. ניתן לדמיין חלקיק ללא מטען, אך לא ניתן לדמיין מטען ללא חלקיק.

בפיזיקה המודרנית, מטען מוגדר כדלקמן:

מטען חשמלי- זוהי כמות פיזיקלית, שהיא מקור השדה החשמלי, שדרכו מתבצעת האינטראקציה של חלקיקים עם מטען.

3.1. מטען חשמלי

אפילו בימי קדם, אנשים שמו לב שחתיכת ענבר שנלבשה עם צמר מתחילה למשוך חפצים קטנים שונים: חלקיקי אבק, חוטים וכדומה. אתה יכול בקלות לראות בעצמך שמסרק פלסטיק, שפשף בשיער שלך, מתחיל למשוך פיסות נייר קטנות. תופעה זו נקראת חשמול, והכוחות הפועלים במקרה זה - כוחות חשמליים. שני השמות מגיעים מהמילה היוונית אלקטרון, שפירושה ענבר.
כאשר משפשפים מסרק בשיער או מקל אבוניט בצמר, חפצים נטענים, הם יוצרים מטענים חשמליים. גופים טעונים מקיימים אינטראקציה זה עם זה וכוחות חשמליים נוצרים ביניהם.
לא רק מוצקים, אלא גם נוזלים ואפילו גזים יכולים להיות מחושמלים על ידי חיכוך.
כאשר גופים מחושמלים, החומרים המרכיבים גופים מחושמלים אינם הופכים לחומרים אחרים. לפיכך, חשמול היא תופעה פיזיקלית.
ישנם שני סוגים שונים של מטענים חשמליים. הם נקראים די קונבנציונלי " חִיוּבִי"תשלום ו" שלילי"תשלום (ואפשר לקרוא להם "שחור" ו"לבן", או "יפה" ו"נורא", או משהו אחר).
טעון במטען חיובינקראים גופים הפועלים על עצמים טעונים אחרים באותו אופן כמו זכוכית המחשמלת על ידי חיכוך נגד משי.
טעון שליליהם קוראים לגופים הפועלים על עצמים טעונים אחרים באותו אופן כמו איטום שעווה המחשמלת על ידי חיכוך נגד צמר.
המאפיין העיקרי של גופים וחלקיקים טעונים: גופים וחלקיקים בעלי מטען דומה דוחים, וגופים טעונים הפוך מושכים אותם. בניסויים במקורות של מטענים חשמליים, תכירו גם כמה תכונות נוספות של המטענים הללו: מטענים יכולים "לזרום" מעצם אחד למשנהו, להצטבר, פריקה חשמלית יכולה להתרחש בין גופים טעונים וכן הלאה. אתה תלמד תכונות אלה בפירוט במהלך הפיזיקה.

3.2. חוק קולומב

מטען חשמלי ( שאוֹ ש) היא כמות פיזיקלית, היא יכולה להיות פחות או יותר, ולכן ניתן למדוד אותה. אבל פיסיקאים עדיין לא יכולים להשוות ישירות בין מטענים זה לזה, לכן, הם לא משווים את המטענים עצמם, אלא את ההשפעה שיש לגופים טעונים זה על זה, או על גופים אחרים, למשל, הכוח שבו גוף טעון אחד פועל על אחר .

הכוחות (F) הפועלים על כל אחד משני גופים טעונים נקודתיים מכוונים הפוך לאורך הקו הישר המחבר את הגופים הללו. הערכים שלהם שווים זה לזה, ביחס ישר למכפלת המטענים של הגופים הללו (ש 1 ) ו (ש 2 ) והם ביחס הפוך לריבוע המרחק (l) ביניהם.

יחס זה נקרא "חוק קולומב" לכבודו של הפיזיקאי הצרפתי שארל קולומב (1763-1806), שגילה אותו ב-1785. התלות החשובה ביותר לכימיה של כוחות קולומב בסימן המטען ובמרחק בין גופים טעונים מוצגת בבירור באיור. 3.1.

יחידת המדידה של המטען החשמלי היא התליון (הגדרה במהלך הפיזיקה). מטען של 1 C זורם דרך נורת 100 וואט תוך כ-2 שניות (במתח של 220 V).

3.3. מטען חשמלי אלמנטרי

עד סוף המאה ה-19, טיבו של החשמל נותר לא ברור, אך ניסויים רבים הובילו מדענים למסקנה שגודל המטען החשמלי אינו יכול להשתנות ברציפות. נמצא שיש חלק קטן יותר, בלתי ניתן לחלוקה נוספת של חשמל. המטען של חלק זה נקרא "מטען חשמלי יסודי" (מסומן באות ה). התברר שזה 1.6. 10-19 C. זהו ערך קטן מאוד - כמעט 3 מיליארד מיליארד מטענים חשמליים אלמנטריים עוברים דרך החוט של אותה נורה בשנייה אחת.
כל מטען הוא כפולה של מטען חשמלי אלמנטרי, ולכן נוח להשתמש במטען חשמלי אלמנטרי כיחידת מדידה למטענים קטנים. לכן,

1ה= 1.6. 10-19 C.

בתחילת המאות ה-19 וה-20, הפיזיקאים הבינו שהנשא של מטען חשמלי שלילי אלמנטרי הוא מיקרו-חלקיק, הנקרא אֶלֶקטרוֹן(ג'וזף ג'ון תומסון, 1897). הנשא של מטען חיובי אלמנטרי הוא מיקרו-חלקיק הנקרא פּרוֹטוֹן- התגלה מעט מאוחר יותר (ארנסט רתרפורד, 1919). יחד עם זאת, הוכח כי המטענים החשמליים היסודיים החיוביים והשליליים שווים בערכם המוחלט

לפיכך, המטען החשמלי היסודי הוא המטען של הפרוטון.
תכירו מאפיינים נוספים של האלקטרון והפרוטון בפרק הבא.

למרות העובדה שהרכב הגופים הפיזיים כולל חלקיקים טעונים, במצב הרגיל הגופים אינם טעונים, או ניטרלי חשמלי. חלקיקים מורכבים רבים, כגון אטומים או מולקולות, הם גם ניטרליים מבחינה חשמלית. המטען הכולל של חלקיק כזה או גוף כזה מסתבר כשווה לאפס מכיוון שמספר האלקטרונים ומספר הפרוטונים המרכיבים את החלקיק או הגוף שווים.

גופים או חלקיקים הופכים לטעונים אם מפרידים מטענים חשמליים: על גוף אחד (או חלקיק) יש עודף של מטענים חשמליים של סימן אחד, ומצד שני - של אחר. בתופעות כימיות, מטען חשמלי של כל סימן אחד (חיובי או שלילי) אינו יכול להופיע ולא להיעלם, שכן נשאים של מטענים חשמליים אלמנטריים של סימן אחד בלבד אינם יכולים להופיע או להיעלם.

מטען חשמלי חיובי, מטען חשמלי שלילי, נכס עיקרי של גופים וחלקיקים טעונים, חוק קולומב, מטען חשמלי
1. כיצד נטען משי כאשר משפשפים אותו בזכוכית? מה לגבי צמר כאשר משפשפים אותו בשעווה איטום?
2. מהו מספר המטענים החשמליים האלמנטריים בתליון 1?
3. קבע את הכוח שבו שני גופים בעלי מטענים של +2 C ו-3 C נמשכים זה לזה, הממוקמים במרחק של 0.15 מ' זה מזה.
4. שני גופים בעלי מטענים של +0.2 C ו-0.2 C נמצאים במרחק של 1 ס"מ אחד מהשני. קבע את הכוח שבו הם נמשכים.
5. באיזה כוח שני חלקיקים הנושאים את אותו מטען השווה ל-+3 דוחים זה את זה ה, וממוקם במרחק של 2 E? ערכו של הקבוע במשוואת חוק קולומב ק= 9 . 10 9 N. m 2 / Cl 2.
6. באיזה כוח נמשך אלקטרון לפרוטון אם המרחק ביניהם הוא 0.53 E? מה לגבי פרוטון לאלקטרון?
7. שני כדורים בעלי מטען דומה ושווה מחוברים בחוט שאינו מוליך מטענים. אמצע החוט קבוע בצורה קבועה. צייר כיצד הכדורים הללו ימוקמו בחלל בתנאים שבהם ניתן להזניח את כוח הכבידה.
8. כיצד, באותם תנאים, ימוקמו במרחב שלושה מאותם כדורים, קשורים בחוטים באורך זהה לתמיכה אחת? וארבעה?
ניסויים בנושא משיכה ודחייה של גופים טעונים.

מהו מטען שלילי וחיובי. האם מטענים בעלי אותו שם דוחים זה את זה או שהם נמשכים לאחד שלישי? מאפיינים מספריים של מידת הקיטוב

הגדרת מטען.

הגדרת מטען.

מקור והתפתחות הכתיבה – מופשט

המלחין ריימונדס פאולס: ביוגרפיה, חיים אישיים, יצירתיות ריימונדס פאולס - ביוגרפיה