Abstrakt o elektrotechnike

Doplnil: Agafonov Roman

Luga Agro-Industrial College

Nie je možné poskytnúť stručnú definíciu poplatku, ktorá by bola vo všetkých ohľadoch uspokojivá. Sme zvyknutí nachádzať zrozumiteľné vysvetlenia pre veľmi zložité útvary a procesy, ako je atóm, tekuté kryštály, distribúcia molekúl podľa rýchlosti atď. Ale tie najzákladnejšie, najzákladnejšie pojmy, nedeliteľné na jednoduchšie, postrádajúce podľa dnešnej vedy akýkoľvek vnútorný mechanizmus, sa už nedajú stručne vysvetliť uspokojivým spôsobom. Najmä ak predmety nie sú priamo vnímané našimi zmyslami. Na tieto základné pojmy sa vzťahuje elektrický náboj.

Skúsme najskôr zistiť, čo je elektrický náboj, ale čo sa skrýva za tvrdením: toto teleso alebo častica má elektrický náboj.

Viete, že všetky telesá sú postavené z drobných častíc, nedeliteľných na jednoduchšie (pokiaľ veda teraz vie) častice, ktoré sa preto nazývajú elementárne. Všetky elementárne častice majú hmotnosť a vďaka tomu sa navzájom priťahujú. Podľa zákona univerzálnej gravitácie sa sila príťažlivosti znižuje relatívne pomaly so zväčšovaním vzdialenosti medzi nimi: nepriamo úmerne druhej mocnine vzdialenosti. Okrem toho väčšina elementárnych častíc, aj keď nie všetky, má schopnosť vzájomne na seba pôsobiť silou, ktorá sa tiež zmenšuje nepriamo úmerne k druhej mocnine vzdialenosti, ale táto sila je mnohonásobne väčšia ako sila gravitácie. . V atóme vodíka, schematicky znázornenom na obrázku 1, je teda elektrón priťahovaný k jadru (protónu) silou 1039-krát väčšou ako sila gravitačnej príťažlivosti.

Ak častice na seba vzájomne pôsobia silami, ktoré sa s rastúcou vzdialenosťou pomaly zmenšujú a sú mnohonásobne väčšie ako gravitačné sily, potom sa hovorí, že tieto častice majú elektrický náboj. Samotné častice sa nazývajú nabité. Existujú častice bez elektrického náboja, ale bez častice nie je elektrický náboj.

Interakcie medzi nabitými časticami sa nazývajú elektromagnetické. Keď hovoríme, že elektróny a protóny sú elektricky nabité, znamená to, že sú schopné interakcií určitého typu (elektromagnetické) a nič viac. Nedostatok náboja na časticiach znamená, že nezistí takéto interakcie. Nabíjačka určuje intenzitu elektromagnetických interakcií, rovnako ako hmotnosť určuje intenzitu gravitačných interakcií. Elektrický náboj je druhou (po hmotnosti) najdôležitejšou charakteristikou elementárnych častíc, ktorá určuje ich správanie v okolitom svete.

Teda

Elektrický náboj je fyzikálna skalárna veličina, ktorá charakterizuje vlastnosť častíc alebo telies vstúpiť do elektromagnetických silových interakcií.

Elektrický náboj je symbolizovaný písmenami q alebo Q.

Rovnako ako v mechanike sa často používa pojem hmotný bod, ktorý umožňuje výrazne zjednodušiť riešenie mnohých problémov, aj pri štúdiu interakcie nábojov je efektívna myšlienka bodového náboja. Bodový náboj je nabité teleso, ktorého rozmery sú podstatne menšie ako vzdialenosť od tohto telesa k bodu pozorovania a iným nabitým telesám. Najmä, ak hovoria o interakcii dvoch bodových nábojov, potom predpokladajú, že vzdialenosť medzi dvoma uvažovanými nabitými telesami je výrazne väčšia ako ich lineárne rozmery.

Elektrický náboj elementárnej častice nie je špeciálnym „mechanizmom“ v častici, ktorý by sa z nej dal odstrániť, rozložiť na jednotlivé časti a znovu poskladať. Prítomnosť elektrického náboja na elektróne a iných časticiach znamená len existenciu určitých interakcií medzi nimi.

V prírode existujú častice s nábojmi opačných znamienok. Náboj protónu sa nazýva kladný a náboj elektrónu záporný. Kladné znamienko náboja na častici samozrejme neznamená, že má nejaké špeciálne výhody. Zavedenie nábojov dvoch znakov jednoducho vyjadruje skutočnosť, že nabité častice sa môžu priťahovať aj odpudzovať. Ak sú znaky náboja rovnaké, častice sa odpudzujú a ak sú znaky náboja odlišné, priťahujú sa.

V súčasnosti neexistuje vysvetlenie dôvodov existencie dvoch typov elektrických nábojov. V každom prípade sa nezistili žiadne zásadné rozdiely medzi kladnými a zápornými nábojmi. Ak by sa znaky elektrických nábojov častíc zmenili na opak, potom by sa povaha elektromagnetických interakcií v prírode nezmenila.

Pozitívne a negatívne náboje sú vo vesmíre veľmi dobre vyvážené. A ak je vesmír konečný, potom je jeho celkový elektrický náboj s najväčšou pravdepodobnosťou rovný nule.

Najpozoruhodnejšie je, že elektrický náboj všetkých elementárnych častíc je striktne rovnaký. Existuje minimálny náboj, nazývaný elementárny, ktorý majú všetky nabité elementárne častice. Náboj môže byť kladný, ako protón, alebo záporný, ako elektrón, ale modul náboja je vo všetkých prípadoch rovnaký.

Nie je možné oddeliť časť náboja, napríklad od elektrónu. Toto je možno najprekvapivejšia vec. Žiadna moderná teória nedokáže vysvetliť, prečo sú náboje všetkých častíc rovnaké, a nie je schopná vypočítať hodnotu minimálneho elektrického náboja. Stanovuje sa experimentálne pomocou rôznych experimentov.

V 60. rokoch 20. storočia, keď počet novoobjavených elementárnych častíc začal alarmujúco rásť, vznikla hypotéza, že všetky silne interagujúce častice sú zložené. Základnejšie častice sa nazývali kvarky. Zarážajúce bolo, že kvarky by mali mať zlomkový elektrický náboj: 1/3 a 2/3 elementárneho náboja. Na vytvorenie protónov a neutrónov stačia dva typy kvarkov. A ich maximálny počet zjavne nepresahuje šesť.

Je nemožné vytvoriť makroskopický štandard jednotky elektrického náboja, podobný štandardu dĺžky - meter, kvôli nevyhnutnému úniku náboja. Bolo by prirodzené brať náboj elektrónu ako jeden (teraz sa to robí v atómovej fyzike). Ale v čase Coulomb ešte nebola známa existencia elektrónov v prírode. Navyše, náboj elektrónu je príliš malý, a preto je ťažké ho štandardne použiť.

Existujú dva typy elektrických nábojov, bežne nazývané kladné a záporné. Kladne nabité telesá sú tie, ktoré pôsobia na iné nabité telesá rovnako ako sklo elektrizované trením o hodváb. Telesá, ktoré pôsobia rovnako ako ebonit elektrifikovaný trením o vlnu, sa nazývajú negatívne nabité. Výber názvu „pozitívny“ pre náboje vznikajúce na skle a „negatívny“ pre náboje na ebonite je úplne náhodný.

Náboje je možné prenášať (napríklad priamym kontaktom) z jedného tela na druhé. Na rozdiel od telesnej hmotnosti nie je elektrický náboj integrálnou charakteristikou daného telesa. To isté teleso za rôznych podmienok môže mať rôzny náboj.

Ako náboje odpudzujú, na rozdiel od nábojov priťahujú. To odhaľuje aj zásadný rozdiel medzi elektromagnetickými silami a gravitačnými silami. Gravitačné sily sú vždy príťažlivé sily.

Dôležitou vlastnosťou elektrického náboja je jeho diskrétnosť. To znamená, že existuje nejaký najmenší, univerzálny, ďalej nedeliteľný elementárny náboj, takže náboj q akéhokoľvek telesa je násobkom tohto elementárneho náboja:

,

kde N je celé číslo, e je hodnota elementárneho náboja. Podľa moderných koncepcií sa tento náboj číselne rovná náboju elektrónu e = 1,6∙10-19 C. Pretože hodnota elementárneho náboja je veľmi malá, pre väčšinu nabitých telies pozorovaných a používaných v praxi je číslo N veľmi veľké a diskrétna povaha zmeny náboja sa neprejavuje. Preto sa predpokladá, že za normálnych podmienok sa elektrický náboj telies mení takmer nepretržite.

Zákon zachovania elektrického náboja.

Vnútri uzavretého systému s akýmikoľvek interakciami algebraický súčet elektrický náboj zostáva konštantný:

.

Izolovanou (alebo uzavretou) sústavou budeme nazývať sústavu telies, do ktorých sa zvonku nevnášajú a neodvádzajú elektrické náboje.

Nikde a nikdy v prírode sa neobjaví ani nezmizne elektrický náboj rovnakého znamenia. Výskyt kladného elektrického náboja je vždy sprevádzaný objavením sa rovnakého záporného náboja. Ani kladný, ani záporný náboj nemôže zmiznúť oddelene, môžu sa navzájom neutralizovať iba vtedy, ak sú rovnaké v module.

Takto sa môžu elementárne častice navzájom premieňať. Ale vždy pri zrode nabitých častíc sa pozoruje výskyt páru častíc s nábojmi opačného znamienka. Možno pozorovať aj súčasné zrodenie niekoľkých takýchto párov. Nabité častice miznú, menia sa na neutrálne, tiež len v pároch. Všetky tieto skutočnosti nenechávajú nikoho na pochybách o prísnom uplatňovaní zákona zachovania elektrického náboja.

Dôvod zachovania elektrického náboja je stále neznámy.

Elektrifikácia tela

Makroskopické telesá sú spravidla elektricky neutrálne. Atóm akejkoľvek látky je neutrálny, pretože počet elektrónov v ňom sa rovná počtu protónov v jadre. Kladne a záporne nabité častice sú navzájom spojené elektrickými silami a tvoria neutrálne systémy.

Veľké teleso je nabité, keď obsahuje nadbytok elementárnych častíc s rovnakým znamienkom náboja. Záporný náboj telesa je spôsobený nadbytkom elektrónov v porovnaní s protónmi a kladný náboj je spôsobený ich nedostatkom.

Aby sme získali elektricky nabité makroskopické telo, alebo, ako sa hovorí, elektrifikovali ho, je potrebné oddeliť časť záporného náboja od kladného náboja, ktorý je s ním spojený.

Najjednoduchší spôsob, ako to dosiahnuť, je trenie. Ak si prejdete hrebeňom po vlasoch, malá časť najpohyblivejších nabitých častíc – elektrónov – sa presunie z vlasov do hrebeňa a nabijú ho negatívne a vlasy sa nabijú kladne. Keď sú obe telesá elektrizované trením, získavajú náboje opačného znamienka, ale rovnakej veľkosti.

Je veľmi jednoduché elektrifikovať telesá pomocou trenia. Vysvetliť, ako sa to deje, sa však ukázalo ako veľmi náročná úloha.

1 verzia. Pri elektrizovaní telies je dôležitý úzky kontakt medzi nimi. Elektrické sily držia elektróny vo vnútri tela. Ale pre rôzne látky sú tieto sily rôzne. Pri tesnom kontakte prechádza malá časť elektrónov látky, v ktorej je spojenie elektrónov s telesom relatívne slabé, do iného telesa. Pohyby elektrónov nepresahujú medziatómové vzdialenosti (10-8 cm). Ale ak sú telá oddelené, obe budú obvinené. Pretože povrchy telies nie sú nikdy dokonale hladké, tesný kontakt medzi telesami potrebný na prechod je vytvorený len na malých plochách plôch. Keď sa telesá trú o seba, zvyšuje sa počet oblastí s tesným kontaktom, a tým sa zvyšuje celkový počet nabitých častíc prechádzajúcich z jedného telesa do druhého. Nie je ale jasné, ako sa môžu elektróny pohybovať v takých nevodivých látkach (izolantoch) ako je ebonit, plexisklo a iné. Sú viazané v neutrálnych molekulách.

Verzia 2. Na príklade iónového LiF kryštálu (izolátora) toto vysvetlenie vyzerá takto. Keď sa vytvorí kryštál, rôzne druhy defekty, najmä vakancie - nevyplnené priestory v uzloch kryštálovej mriežky. Ak počet voľných miest pre kladné ióny lítia a záporné ióny fluóru nie je rovnaký, potom sa kryštál pri vytvorení nabije v objeme. Ale náboj ako celok nemôže kryštál udržať dlho. Vo vzduchu je vždy určité množstvo iónov a kryštál ich bude vyťahovať zo vzduchu, až kým náboj kryštálu nezneutralizuje vrstva iónov na jeho povrchu. Rôzne izolanty majú rôzny priestorový náboj, a preto sú aj náboje povrchových vrstiev iónov rôzne. Počas trenia sa povrchové vrstvy iónov zmiešajú a pri oddelení izolantov sa každý z nich nabije.

Môžu byť dva rovnaké izolátory, napríklad rovnaké kryštály LiF, elektrizované trením? Ak majú rovnaké vlastné vesmírne poplatky, tak nie. Ale môžu mať aj rôzne vlastné náboje, ak boli kryštalizačné podmienky iné a objavil sa iný počet voľných miest. Ako ukázala skúsenosť, skutočne môže dôjsť k elektrifikácii pri trení rovnakých kryštálov rubínu, jantáru atď. Vyššie uvedené vysvetlenie však pravdepodobne nebude vo všetkých prípadoch správne. Ak telá pozostávajú napríklad z molekulárnych kryštálov, potom by výskyt voľných miest v nich nemal viesť k nabíjaniu tela.

Ďalším spôsobom elektrifikácie telies je ich vystavenie rôznym žiarením (najmä ultrafialovému, röntgenovému a γ-žiareniu). Táto metóda je najúčinnejšia pri elektrifikácii kovov, keď sa vplyvom žiarenia z povrchu kovu vyrazia elektróny a vodič získa kladný náboj.

Elektrifikácia vplyvom. Vodič sa nabíja nielen pri kontakte s nabitým telesom, ale aj vtedy, keď je v určitej vzdialenosti. Pozrime sa na tento fenomén podrobnejšie. Na izolovaný vodič zavesme ľahké listy papiera (obr. 3). Ak vodič nie je najskôr nabitý, listy budú v nevychýlenej polohe. Prinesme teraz izolovanú kovovú guľu, vysoko nabitú, k vodiču, napríklad pomocou sklenenej tyčinky. Uvidíme, že plechy zavesené na koncoch telesa v bodoch a a b sú vychýlené, hoci nabité teleso sa vodiča nedotýka. Vodič bol nabitý vplyvom, a preto sa samotný jav nazýval „elektrifikácia vplyvom“ alebo „elektrická indukcia“. Náboje získané elektrickou indukciou sa nazývajú indukované alebo indukované. Listy zavesené v strede tela, v bodoch a‘ a b‘, sa neodchyľujú. To znamená, že indukované náboje vznikajú len na koncoch telesa a jeho stred zostáva neutrálny, čiže nenabitý. Privedením elektrifikovanej sklenenej tyče na tabule zavesené v bodoch a a b je ľahké overiť, že tabule v bode b sa od nej odpudzujú a tabule v bode a sú priťahované. To znamená, že na vzdialenom konci vodiča sa objaví náboj rovnakého znamienka ako na loptičke a na blízkych častiach vznikajú náboje iného znamienka. Odstránením nabitej gule uvidíme, že listy pôjdu dole. Úplne podobný jav prebieha, ak pokus zopakujeme s negatívnym nabíjaním gule (napríklad pomocou pečatného vosku).

Z hľadiska elektrónovej teórie sú tieto javy ľahko vysvetliteľné existenciou voľných elektrónov vo vodiči. Keď sa na vodič aplikuje kladný náboj, elektróny sú k nemu priťahované a hromadia sa na najbližšom konci vodiča. Objaví sa na ňom určitý počet „prebytočných“ elektrónov a táto časť vodiča sa negatívne nabije. Na vzdialenom konci je nedostatok elektrónov, a teda prebytok kladných iónov: tu sa objavuje kladný náboj.

Keď sa záporne nabité teleso priblíži k vodiču, elektróny sa nahromadia na vzdialenom konci a na blízkom konci sa vytvorí prebytok kladných iónov. Po odstránení náboja, ktorý spôsobuje pohyb elektrónov, sa opäť rozložia po celom vodiči, takže všetky jeho časti sú stále nenabité.

Pohyb nábojov pozdĺž vodiča a ich hromadenie na jeho koncoch bude pokračovať, kým vplyv prebytočných nábojov vytvorených na koncoch vodiča nevyrovná elektrické sily vychádzajúce z gule, pod vplyvom ktorých dochádza k prerozdeľovaniu elektrónov. Neprítomnosť náboja v strede telesa ukazuje, že sily vychádzajúce z gule a sily, ktorými na voľné elektróny pôsobia prebytočné náboje nahromadené na koncoch vodiča, sú tu vyrovnané.

Indukované náboje je možné oddeliť, ak v prítomnosti nabitého telesa je vodič rozdelený na časti. Takáto skúsenosť je znázornená na obr. 4. V tomto prípade sa vytlačené elektróny po odstránení nabitej gule už nemôžu vrátiť späť; keďže medzi oboma časťami vodiča je dielektrikum (vzduch). Prebytočné elektróny sú distribuované po ľavej strane; nedostatok elektrónov v bode b je čiastočne doplnený z oblasti bodu b', takže sa ukáže, že každá časť vodiča je nabitá: ľavá - s nábojom opačným v znamienku ako náboj lopty, vpravo - s nábojom rovnakého názvu ako náboj lopty. Nielen listy v bodoch a a b sa rozchádzajú, ale aj predtým nehybné listy v bodoch a‘ a b‘.

Burov L.I., Strelchenya V.M. Fyzika od A po Z: pre študentov, uchádzačov, tútorov. – Mn.: Paradox, 2000. – 560 s.

Myakishev G.Ya. Fyzika: Elektrodynamika. 10-11 ročníkov: učebnica. Pre hĺbkové štúdium fyzici /G.Ya. Myakishev, A.Z. Sinyakov, B.A. Slobodskov. – M. Zh. Drop, 2005. – 476 s.

Fyzika: Učebnica. príspevok do 10. platovej triedy. školy a pokročilé triedy študoval fyzici/ O. F. Kabardin, V. A. Orlov, E. E. Evenchik a ďalší; Ed. A. A. Pinsky. – 2. vyd. – M.: Školstvo, 1995. – 415 s.

Učebnica elementárnej fyziky: Študijná príručka. V 3 zväzkoch / Ed. G.S. Landsberg: T. 2. Elektrina a magnetizmus. – M: FIZMATLIT, 2003. – 480 s.

Ak potriete sklenenou tyčinkou o list papiera, tyčinka získa schopnosť priťahovať chochol lístia, chumáčov a tenkých prúdov vody. Keď češete suché vlasy plastovým hrebeňom, vlasy sú priťahované hrebeňom. V týchto jednoduchých príkladoch sa stretávame s prejavom síl, ktoré sa nazývajú elektrické.

Telesá alebo častice, ktoré pôsobia na okolité predmety elektrickými silami, sa nazývajú nabité alebo zelektrizované. Napríklad vyššie spomínaná sklenená tyčinka po otretí o kus papiera elektrizuje.

Častice majú elektrický náboj, ak na seba vzájomne pôsobia prostredníctvom elektrických síl. Elektrické sily klesajú so zväčšujúcou sa vzdialenosťou medzi časticami. Elektrické sily sú mnohonásobne väčšie ako sily univerzálnej gravitácie.

Elektrický náboj je fyzikálna veličina, ktorá určuje intenzitu elektromagnetických interakcií.

Elektromagnetické interakcie sú interakcie medzi nabitými časticami alebo telesami.

Elektrické náboje sa delia na kladné a záporné. Stabilné elementárne častice - protóny a pozitróny, ako aj ióny atómov kovov atď., Majú kladný náboj. Stabilné negatívne nosiče náboja sú elektrón a antiprotón.

Existujú elektricky nenabité častice, teda neutrálne: neutrón, neutríno. Tieto častice sa nezúčastňujú elektrických interakcií, pretože ich elektrický náboj je nulový. Existujú častice bez elektrického náboja, ale elektrický náboj bez častice neexistuje.

Na skle potretom hodvábom sa objavujú kladné náboje. Ebonit natretý na kožušinu má záporné náboje. Častice sa odpudzujú nábojmi rovnakých znakov (ako náboje) a s rôznymi znakmi (opačné náboje) sa častice priťahujú.

Všetky telá sú vyrobené z atómov. Atómy pozostávajú z kladne nabitého atómového jadra a záporne nabitých elektrónov, ktoré sa pohybujú okolo atómového jadra. Atómové jadro pozostáva z kladne nabitých protónov a neutrálnych častíc – neutrónov. Náboje v atóme sú rozdelené tak, že atóm ako celok je neutrálny, to znamená, že súčet kladných a záporných nábojov v atóme je nula.

Elektróny a protóny sú súčasťou akejkoľvek látky a sú to najmenšie stabilné elementárne častice. Tieto častice môžu existovať vo voľnom stave neobmedzene dlho. Elektrický náboj elektrónu a protónu sa nazýva elementárny náboj.

Elementárny náboj je minimálny náboj, ktorý majú všetky nabité elementárne častice. Elektrický náboj protónu sa v absolútnej hodnote rovná náboju elektrónu:

e = 1,6021892(46)*10-19 °C

Veľkosť akéhokoľvek náboja je násobkom absolútnej hodnoty elementárneho náboja, teda náboja elektrónu. Elektrón preložený z gréčtiny elektrón - jantár, protón - z gréčtiny protos - prvý, neutrón z latinčiny neutrum - ani jedno, ani druhé.

Jednoduché experimenty s elektrifikáciou rôznych telies ilustrujú nasledujúce body.

1. Existujú dva typy nábojov: kladný (+) a záporný (-). Kladný náboj vzniká, keď sa sklo trie o kožu alebo hodváb, a záporný náboj, keď sa jantár (alebo ebonit) trie o vlnu.

2. Poplatky (príp nabité telá) vzájomne pôsobia. Rovnaké poplatky odtlačiť a na rozdiel od poplatkov sú priťahovaní.

3. Stav elektrifikácie sa môže prenášať z jedného telesa na druhé, čo je spojené s prenosom elektrického náboja. V tomto prípade môže byť na telo prenesený väčší alebo menší náboj, teda náboj má veľkosť. Pri elektrizovaní trením získajú obe telesá náboj, jedno je kladné a druhé záporné. Je potrebné zdôrazniť, že absolútne hodnoty nábojov telies elektrizovaných trením sú rovnaké, čo potvrdzujú početné merania nábojov pomocou elektromerov.

Bolo možné vysvetliť, prečo sa telesá elektrizujú (t. j. nabijú) počas trenia po objavení elektrónu a štúdiu štruktúry atómu. Ako viete, všetky látky pozostávajú z atómov; atómy zase pozostávajú z elementárnych častíc - negatívne nabitých elektróny, kladne nabitý protóny a neutrálne častice - neutróny. Elektróny a protóny sú nositeľmi elementárnych (minimálnych) elektrických nábojov.

Elementárny elektrický náboj ( e) - je to najmenší elektrický náboj, kladný alebo záporný, rovný hodnote elektrónového náboja:

e = 1,6021892(46) 10-19 °C.

Existuje veľa nabitých elementárnych častíc a takmer všetky majú náboj +e alebo -e tieto častice sú však veľmi krátkodobé. Žijú menej ako milióntinu sekundy. Len elektróny a protóny existujú vo voľnom stave neobmedzene dlho.

Protóny a neutróny (nukleóny) tvoria kladne nabité jadro atómu, okolo ktorého krúžia negatívne nabité elektróny, ktorých počet sa rovná počtu protónov, takže atóm ako celok je hnacou silou.

Za normálnych podmienok sú telesá pozostávajúce z atómov (alebo molekúl) elektricky neutrálne. Počas procesu trenia sa však niektoré elektróny, ktoré opustili svoje atómy, môžu pohybovať z jedného tela do druhého. Pohyby elektrónov nepresahujú medziatómové vzdialenosti. Ale ak sú telá po trení oddelené, ukáže sa, že sú nabité; telo, ktoré sa vzdalo niektorých svojich elektrónov, bude nabité kladne a telo, ktoré ich získalo, bude nabité záporne.

Telá sa teda elektrizujú, to znamená, že dostanú elektrický náboj, keď stratia alebo získajú elektróny. V niektorých prípadoch je elektrifikácia spôsobená pohybom iónov. V tomto prípade nevznikajú žiadne nové elektrické náboje. Existuje len rozdelenie existujúcich nábojov medzi elektrizujúce telesá: časť negatívnych nábojov prechádza z jedného telesa do druhého.

Stanovenie poplatku.

Zvlášť treba zdôrazniť, že náboj je integrálnou vlastnosťou častice. Je možné si predstaviť časticu bez náboja, ale nie je možné si predstaviť náboj bez častice.

Nabité častice sa prejavujú príťažlivosťou (opačné náboje) alebo odpudzovaním (ako náboje) silami, ktoré sú o mnoho rádov väčšie ako gravitačné sily. Sila elektrickej príťažlivosti elektrónu k jadru atómu vodíka je teda 10 39-krát väčšia ako sila gravitačnej príťažlivosti týchto častíc. Interakcia medzi nabitými časticami je tzv elektromagnetická interakcia, a elektrický náboj určuje intenzitu elektromagnetických interakcií.

V modernej fyzike je náboj definovaný takto:

Nabíjačka- Toto fyzikálne množstvo, ktorý je zdrojom elektrického poľa, prostredníctvom ktorého dochádza k interakcii častíc s nábojom.

Nabíjačka– fyzikálna veličina charakterizujúca schopnosť telies vstupovať do elektromagnetických interakcií. Merané v Coulombs.

Elementárny elektrický náboj– minimálny náboj, ktorý majú elementárne častice (protónový a elektrónový náboj).

Telo má náboj, znamená, že má navyše alebo chýbajúce elektróny. Tento poplatok je určený q=nie. (rovná sa počtu elementárnych nábojov).

Elektrifikujte telo– vytvárajú nadbytok a nedostatok elektrónov. Metódy: elektrifikácia trením A elektrifikácia kontaktom.

Bodový úsvit d je náboj telesa, ktorý možno považovať za hmotný bod.

Skúšobný náboj() – bodový, malý náboj, vždy kladný – slúži na štúdium elektrického poľa.

Zákon zachovania náboja:v izolovanom systéme zostáva algebraický súčet nábojov všetkých telies konštantný pre akékoľvek vzájomné pôsobenie týchto telies.

Coulombov zákon:sily interakcie medzi dvoma bodovými nábojmi sú úmerné súčinu týchto nábojov, nepriamo úmerné druhej mocnine vzdialenosti medzi nimi, závisia od vlastností prostredia a sú nasmerované pozdĺž priamky spájajúcej ich stredy.

, Kde

F/m, Cl 2 /nm 2 – dielektrikum. rýchlo. vákuum

- súvisí. dielektrická konštanta (>1)

- absolútna dielektrická priepustnosť. životné prostredie

Elektrické pole– hmotné médium, prostredníctvom ktorého dochádza k interakcii elektrických nábojov.

Vlastnosti elektrického poľa:

Charakteristiky elektrického poľa:

Napätie(E) je vektorová veličina rovnajúca sa sile pôsobiacej na jednotkový skúšobný náboj umiestnený v danom bode.

Merané v N/C.

Smer– rovnaká ako pri pôsobiacej sile.

Napätie nezávisí ani na sile, ani na veľkosti skúšobného náboja.

Superpozícia elektrických polí: intenzita poľa vytvorená niekoľkými nábojmi sa rovná vektorovému súčtu intenzity poľa každého náboja:

Graficky Elektronické pole je znázornené pomocou ťahových čiar.

Napínacia línia– priamka, ktorej dotyčnica sa v každom bode zhoduje so smerom vektora napätia.

Vlastnosti ťahových čiar: nepretínajú sa, cez každý bod možno viesť len jednu čiaru; nie sú uzavreté, zanechávajú kladný náboj a vstupujú do záporného, ​​alebo sa rozptyľujú do nekonečna.

Typy polí:

Rovnomerné elektrické pole– pole, ktorého vektor intenzity má v každom bode rovnakú veľkosť a smer.

Nerovnomerné elektrické pole– pole, ktorého vektor intenzity v každom bode nie je rovnaký vo veľkosti a smere.

Konštantné elektrické pole– vektor napätia sa nemení.

Variabilné elektrické pole– mení sa vektor napätia.

Práca vykonaná elektrickým poľom na pohyb náboja.

, kde F je sila, S je posunutie, - uhol medzi F a S.

Pre rovnomerné pole: sila je konštantná.

Práca nezávisí od tvaru trajektórie; práca vykonaná na pohyb po uzavretej dráhe je nulová.

Pre nerovnomerné pole:

Potenciál elektrického poľa– pomer práce, ktorú pole vykoná pohybom skúšobného elektrického náboja do nekonečna, k veľkosti tohto náboja.

-potenciál– energetická charakteristika poľa. Merané vo voltoch

Potenciálny rozdiel:

, To

, Prostriedky

-potenciálny gradient.

Pre jednotné pole: potenciálny rozdiel – Napätie:

. Meria sa vo voltoch, prístrojmi sú voltmetre.

Elektrická kapacita– schopnosť tiel akumulovať elektrický náboj; pomer náboja k potenciálu, ktorý je pre daný vodič vždy konštantný.

.

Nezávisí od nabitia a nezávisí od potenciálu. Ale to závisí od veľkosti a tvaru vodiča; o dielektrických vlastnostiach média.

, kde r je veľkosť,

- priepustnosť prostredia okolo tela.

Elektrická kapacita sa zvyšuje, ak sú v blízkosti nejaké telesá - vodiče alebo dielektrika.

Kondenzátor– zariadenie na akumuláciu náboja. Elektrická kapacita:

Plochý kondenzátor– dve kovové platne s dielektrikom medzi nimi. Elektrická kapacita plochého kondenzátora:

, kde S je plocha dosiek, d je vzdialenosť medzi doskami.

Energia nabitého kondenzátora rovná práci, ktorú vykoná elektrické pole pri prenose náboja z jednej dosky na druhú.

Prevod malého poplatku

, napätie sa zmení na

, práca je hotová

. Pretože

a C =konšt.,

. Potom

. Poďme integrovať:

Energia elektrického poľa:

, kde V=Sl je objem, ktorý zaberá elektrické pole

Pre nerovnomerné pole:

.

Objemová hustota elektrického poľa:

. Merané v J/m3.

Elektrický dipól– systém pozostávajúci z dvoch rovnakých, ale v znamienku opačných bodových elektrických nábojov umiestnených v určitej vzdialenosti od seba (dipólové rameno -l).

Hlavnou charakteristikou dipólu je dipólového momentu– vektor rovný súčinu náboja a ramena dipólu, nasmerovaný zo záporného náboja na kladný. Určené

. Merané v coulombových metroch.

Dipól v rovnomernom elektrickom poli.

Na každý náboj dipólu pôsobia tieto sily:

A

. Tieto sily smerujú opačne a vytvárajú moment dvojice síl - moment:, kde

M – moment F – sily pôsobiace na dipól

d – parapetné rameno – dipólové rameno

p – dipólový moment E – napätie

- uhol medzi p Eq – náboj

Pod vplyvom krútiaceho momentu sa dipól bude otáčať a vyrovnávať sa v smere ťahových čiar. Vektory p a E budú rovnobežné a jednosmerné.

Dipól v nerovnomernom elektrickom poli.

Existuje krútiaci moment, čo znamená, že dipól sa bude otáčať. Ale sily budú nerovnaké a dipól sa presunie tam, kde je sila väčšia.

-gradient napätia. Čím vyšší je gradient napätia, tým väčšia je bočná sila, ktorá ťahá dipól. Dipól je orientovaný pozdĺž siločiar.

Dipólové vnútorné pole.

Ale. potom:

.

Nech je dipól v bode O a jeho rameno je malé. potom:

.

Vzorec bol získaný s prihliadnutím na:

Potenciálny rozdiel teda závisí od sínusu polovičného uhla, pod ktorým sú dipólové body viditeľné, a od projekcie dipólového momentu na priamku spájajúcu tieto body.

Dielektrika v elektrickom poli.

Dielektrikum- látka, ktorá nemá voľné náboje, a preto nevedie elektrický prúd. V skutočnosti však vodivosť existuje, ale je zanedbateľná.

Dielektrické triedy:

s polárnymi molekulami (voda, nitrobenzén): molekuly nie sú symetrické, ťažiská kladných a záporných nábojov sa nezhodujú, čo znamená, že majú dipólový moment aj v prípade, že neexistuje elektrické pole.

s nepolárnymi molekulami (vodík, kyslík): molekuly sú symetrické, ťažiská kladných a záporných nábojov sa zhodujú, čo znamená, že v neprítomnosti elektrického poľa nemajú dipólový moment.

kryštalický (chlorid sodný): kombinácia dvoch podmriežok, z ktorých jedna je nabitá kladne a druhá záporne; pri absencii elektrického poľa je celkový dipólový moment nulový.

Polarizácia– proces priestorovej separácie nábojov, objavenie sa viazaných nábojov na povrchu dielektrika, čo vedie k oslabeniu poľa vo vnútri dielektrika.

Polarizačné metódy:

Metóda 1 – elektrochemická polarizácia:

Na elektródach – pohyb katiónov a aniónov smerom k nim, neutralizácia látok; vytvárajú sa oblasti kladných a záporných nábojov. Prúd postupne klesá. Rýchlosť vytvorenia neutralizačného mechanizmu je charakterizovaná relaxačným časom - to je čas, počas ktorého sa polarizačné emf zvyšuje z 0 na maximum od okamihu, keď sa pole aplikuje. = 10-3-10-2 s.

Metóda 2 – orientačná polarizácia:

Na povrchu dielektrika vznikajú nekompenzované polárne, t.j. dochádza k fenoménu polarizácie. Napätie vo vnútri dielektrika je menšie ako vonkajšie napätie. Čas relaxácie: = 10-13-10-7 s. Frekvencia 10 MHz.

Metóda 3 – elektronická polarizácia:

Charakteristické pre nepolárne molekuly, ktoré sa stávajú dipólmi. Čas relaxácie: = 10-16-10-14 s. Frekvencia 10 8 MHz.

Metóda 4 – polarizácia iónov:

Dve mriežky (Na a Cl) sú voči sebe posunuté.

Čas relaxácie:

Metóda 5 – mikroštrukturálna polarizácia:

Charakteristické pre biologické štruktúry, keď sa striedajú nabité a nenabité vrstvy. Dochádza k redistribúcii iónov na polopriepustných alebo iónovo nepriepustných priečkach.

Čas relaxácie: =10-8-10-3 s. Frekvencia 1KHz

Číselné charakteristiky stupňa polarizácie:

Elektrina– ide o usporiadaný pohyb voľných nábojov v hmote alebo vo vákuu.

Podmienky existencie elektrického prúdu:

prítomnosť bezplatných poplatkov

prítomnosť elektrického poľa, t.j. sily pôsobiace na tieto náboje

Súčasná sila– hodnota rovnajúca sa náboju, ktorý prejde akýmkoľvek prierezom vodiča za jednotku času (1 sekunda)

Merané v ampéroch.

n – koncentrácia náboja

q – hodnota poplatku

S - prierezová plocha vodiča

- rýchlosť smerového pohybu častíc.

Rýchlosť pohybu nabitých častíc v elektrickom poli je malá - 7 * 10 -5 m/s, rýchlosť šírenia elektrického poľa je 3 * 10 8 m/s.

Súčasná hustota– množstvo náboja, ktoré prejde prierezom 1 m2 za 1 sekundu.

. Merané v A/m2.

- sila pôsobiaca na ión z elektrického poľa sa rovná sile trenia

- pohyblivosť iónov

- rýchlosť smerového pohybu iónov = pohyblivosť, sila poľa

Čím väčšia je koncentrácia iónov, ich náboj a pohyblivosť, tým väčšia je merná vodivosť elektrolytu. So zvyšujúcou sa teplotou sa zvyšuje pohyblivosť iónov a zvyšuje sa elektrická vodivosť.

Na základe pozorovaní interakcie elektricky nabitých telies nazval americký fyzik Benjamin Franklin niektoré telesá kladne nabité a iné záporne nabité. Podľa tohto a elektrické náboje volal pozitívne A negatívne.

Telá s podobnými nábojmi sa odpudzujú. Telesá s opačným nábojom sa priťahujú.

Tieto názvy nábojov sú celkom konvenčné a ich jediný význam je, že telesá s elektrickými nábojmi sa môžu buď priťahovať, alebo odpudzovať.

Znak elektrického náboja telesa je určený interakciou s konvenčným štandardom znaku náboja.

Ako jeden z týchto štandardov sa bral náboj ebonitovej tyčinky potretý kožušinou. Verí sa, že ebonitová palica po trení srsťou má vždy záporný náboj.

Ak je potrebné určiť, aký znak náboja daného telesa, privedie sa na ebonitovú palicu, potrie sa kožušinou, zafixuje sa v ľahkom závese a pozoruje sa interakcia. Ak je palica odpudzovaná, telo má záporný náboj.

Po objavení a štúdiu elementárnych častíc sa ukázalo, že záporný náboj má vždy elementárnu časticu - elektrón.

Electron (z gréčtiny - jantár) - stabilná elementárna častica so záporným elektrickým nábojome = 1,6021892 (46). 10 -19 C, kľudová hmotam e =9,1095. 10-19 kg. Objavil ho v roku 1897 anglický fyzik J. J. Thomson.

Náboj sklenenej tyčinky potretý prírodným hodvábom bol braný ako štandard kladného náboja. Ak je palica odrazená od elektrifikovaného tela, potom má toto telo kladný náboj.

Pozitívny náboj vždy má protón, ktorý je súčasťou atómového jadra. Materiál zo stránky

Pomocou vyššie uvedených pravidiel na určenie znamenia náboja telesa si musíte uvedomiť, že závisí od podstaty interagujúcich telies. Ebonitová tyčinka teda môže mať kladný náboj, ak sa trení látkou vyrobenou zo syntetických materiálov. Sklenená tyčinka bude mať záporný náboj, ak ju potriete kožušinou. Preto, ak plánujete získať negatívny náboj na ebonitovej tyčinke, určite by ste ju mali použiť pri trení kožušinou alebo vlnenou látkou. To isté platí aj o elektrifikácii sklenenej tyčinky, ktorá sa pretiera látkou z prírodného hodvábu, aby sa získal kladný náboj. Iba elektrón a protón majú vždy a jednoznačne záporný a kladný náboj.

Táto stránka obsahuje materiál podľa témy.

« Fyzika - 10. ročník"

Najprv uvažujme o najjednoduchšom prípade, keď sú elektricky nabité telesá v pokoji.

Odvetvie elektrodynamiky venované štúdiu rovnovážnych podmienok elektricky nabitých telies je tzv elektrostatika.

Čo je elektrický náboj?
Aké sú tam poplatky?

So slovami elektrina, elektrický náboj, elektrický prúd mnohokrát ste sa stretli a dokázali ste si na ne zvyknúť. Skúste si však odpovedať na otázku: „Čo je to elektrický náboj? Samotný koncept poplatok- toto je hlavná vec, primárny koncept, ktoré sa pri súčasnej úrovni rozvoja nášho poznania nedajú redukovať na žiadne jednoduchšie, elementárne pojmy.

Pokúsme sa najprv zistiť, čo znamená výrok: „Toto teleso alebo častica má elektrický náboj“.

Všetky telesá sú postavené z najmenších častíc, ktoré sú nedeliteľné na jednoduchšie a preto sa nazývajú elementárne.

Elementárne častice majú hmotnosť a vďaka tomu sa k sebe priťahujú podľa zákona univerzálnej gravitácie. Keď sa vzdialenosť medzi časticami zväčšuje, gravitačná sila sa zmenšuje nepriamo úmerne druhej mocnine tejto vzdialenosti. Väčšina elementárnych častíc, aj keď nie všetky, má tiež schopnosť vzájomnej interakcie silou, ktorá tiež klesá v nepriamom pomere k druhej mocnine vzdialenosti, ale táto sila je mnohonásobne väčšia ako sila gravitácie.

Takže v atóme vodíka, schematicky znázornenom na obrázku 14.1, je elektrón priťahovaný k jadru (protónu) silou 10 39-krát väčšou ako sila gravitačnej príťažlivosti.

Ak častice na seba vzájomne pôsobia silami, ktoré sa s rastúcou vzdialenosťou zmenšujú rovnakým spôsobom ako sily univerzálnej gravitácie, ale mnohonásobne prevyšujú gravitačné sily, potom sa hovorí, že tieto častice majú elektrický náboj. Samotné častice sa nazývajú spoplatnené.

Existujú častice bez elektrického náboja, ale bez častice nie je elektrický náboj.

Interakcia nabitých častíc je tzv elektromagnetické.

Elektrický náboj určuje intenzitu elektromagnetických interakcií, rovnako ako hmotnosť určuje intenzitu gravitačných interakcií.

Elektrický náboj elementárnej častice nie je špeciálnym mechanizmom v častici, ktorý by sa z nej dal odstrániť, rozložiť na jednotlivé časti a znovu poskladať. Prítomnosť elektrického náboja na elektróne a iných časticiach znamená len existenciu určitých silových interakcií medzi nimi.

V podstate nevieme nič o náboji, ak nepoznáme zákony týchto interakcií. Znalosť zákonov interakcie by mala byť súčasťou našich predstáv o náboji. Tieto zákony nie sú jednoduché a nie je možné ich načrtnúť niekoľkými slovami. Preto nie je možné poskytnúť dostatočne uspokojivú stručnú definíciu pojmu nabíjačka.

Dva znaky elektrických nábojov.

Všetky telesá majú hmotnosť a preto sa navzájom priťahujú. Nabité telá sa môžu navzájom priťahovať a odpudzovať. Tento najdôležitejší fakt, ktorý je vám známy, znamená, že v prírode existujú častice s elektrickými nábojmi opačných znakov; pri nábojoch rovnakého znamienka sa častice odpudzujú a pri rôznych znamienkach sa priťahujú.

Náboj elementárnych častíc - protóny, ktoré sú súčasťou všetkých atómových jadier, sa nazývajú kladné a náboj elektróny- negatívny. Medzi kladnými a zápornými nábojmi nie sú žiadne vnútorné rozdiely. Ak by sa znaky nábojov častíc obrátili, povaha elektromagnetických interakcií by sa vôbec nezmenila.

Základný poplatok.

Okrem elektrónov a protónov existuje niekoľko ďalších typov nabitých elementárnych častíc. Ale iba elektróny a protóny môžu existovať vo voľnom stave neobmedzene. Zvyšok nabitých častíc žije menej ako milióntinu sekundy. Rodia sa pri zrážkach rýchlych elementárnych častíc a keďže existujú nevýznamne krátky čas, rozpadajú sa a menia sa na iné častice. S týmito časticami sa zoznámite v 11. ročníku.

Medzi častice, ktoré nemajú elektrický náboj neutrón. Jeho hmotnosť je len o málo väčšia ako hmotnosť protónu. Neutróny sú spolu s protónmi súčasťou atómového jadra. Ak má elementárna častica náboj, potom je jej hodnota presne definovaná.

Nabité telá Elektromagnetické sily v prírode zohrávajú obrovskú úlohu vďaka tomu, že všetky telesá obsahujú elektricky nabité častice. Jednotlivé časti atómov - jadrá a elektróny - majú elektrický náboj.

Priame pôsobenie elektromagnetických síl medzi telesami nie je detekované, pretože telesá sú v normálnom stave elektricky neutrálne.

Atóm akejkoľvek látky je neutrálny, pretože počet elektrónov v ňom sa rovná počtu protónov v jadre. Kladne a záporne nabité častice sú navzájom spojené elektrickými silami a tvoria neutrálne systémy.

Makroskopické teleso je elektricky nabité, ak obsahuje nadbytočné množstvo elementárnych častíc s jedným znakom náboja. Záporný náboj tela je teda spôsobený nadmerným počtom elektrónov v porovnaní s počtom protónov a kladný náboj je spôsobený nedostatkom elektrónov.

Na získanie elektricky nabitého makroskopického telesa, to znamená na jeho elektrifikáciu, je potrebné oddeliť časť záporného náboja od kladného náboja, ktorý je s ním spojený, alebo preniesť záporný náboj na neutrálne telo.

To sa dá dosiahnuť pomocou trenia. Ak prejdete hrebeňom cez suché vlasy, potom sa malá časť najpohyblivejších nabitých častíc - elektrónov - presunie z vlasov do hrebeňa a nabije ich negatívne a vlasy sa nabijú pozitívne.

Rovnosť poplatkov pri elektrifikácii

Pomocou experimentu sa dá dokázať, že obe telesá pri elektrizácii trením nadobudnú náboje opačného znamienka, ale identickej veľkosti.

Vezmime si elektromer, na ktorého tyči je kovová guľa s otvorom a dve platničky na dlhých rúčkach: jedna z tvrdej gumy a druhá z plexiskla. Pri trení o seba platničky elektrizujú.

Prenesme jednu z platní dovnútra gule bez toho, aby sme sa dotkli jej stien. Ak je platňa kladne nabitá, časť elektrónov z ihly a tyče elektromera bude priťahovaná k platni a zhromaždená na vnútornom povrchu gule. Súčasne sa šípka nabije kladne a odtlačí sa od tyče elektromera (obr. 14.2, a).

Ak do gule vnesiete ďalšiu platňu a najprv odstránite prvú, elektróny gule a tyče budú odpudzované od platne a budú sa hromadiť na šípke. To spôsobí, že sa šípka odchýli od tyče a pod rovnakým uhlom ako v prvom experimente.

Po spustení oboch platničiek do gule nezistíme vôbec žiadnu odchýlku šípky (obr. 14.2, b). To dokazuje, že náboje dosiek majú rovnakú veľkosť a opačné znamienka.

Elektrifikácia tiel a jej prejavy. Pri trení syntetických tkanín dochádza k výraznej elektrifikácii. Keď si na suchom vzduchu vyzlečiete košeľu zo syntetického materiálu, môžete počuť charakteristický praskavý zvuk. Medzi nabitými oblasťami trecích plôch preskakujú malé iskry.

V tlačiarňach sa papier pri tlači elektrizuje a hárky sa zlepujú. Aby sa tomu zabránilo, používajú sa špeciálne zariadenia na vybitie náboja. Elektrifikácia tiel v tesnom kontakte sa však niekedy využíva napríklad v rôznych elektrokopírovacích inštaláciách atď.

Zákon zachovania elektrického náboja.

Skúsenosti s elektrifikáciou dosiek dokazujú, že pri elektrifikácii trením dochádza k prerozdeleniu existujúcich nábojov medzi telesami, ktoré boli predtým neutrálne. Malá časť elektrónov sa pohybuje z jedného tela do druhého. V tomto prípade sa nové častice neobjavia a už existujúce nezmiznú.

Keď sú telá elektrifikované, zákon zachovania elektrického náboja. Tento zákon platí pre systém, do ktorého nabité častice zvonku nevstupujú a z ktorého nevychádzajú, t.j. izolovaný systém.

V izolovanom systéme je zachovaný algebraický súčet nábojov všetkých telies.

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

kde q 1, q 2 atď. sú náboje jednotlivých nabitých telies.

Zákon zachovania náboja má hlboký význam. Ak sa počet nabitých elementárnych častíc nemení, potom je splnenie zákona zachovania náboja zrejmé. Ale elementárne častice sa môžu navzájom premieňať, rodiť a miznúť, čím dávajú život novým časticiam.

Vo všetkých prípadoch sa však nabité častice rodia iba v pároch s nábojmi rovnakej veľkosti a opačného znamienka; Nabité častice tiež miznú iba v pároch a menia sa na neutrálne. A vo všetkých týchto prípadoch zostáva algebraický súčet poplatkov rovnaký.

Platnosť zákona zachovania náboja potvrdzujú pozorovania obrovského množstva premien elementárnych častíc. Tento zákon vyjadruje jednu z najzákladnejších vlastností elektrického náboja. Dôvod zadržania poplatku je stále neznámy.

Definícia 1

Mnohí z ľudí okolo nás fyzikálnych javov vyskytujúce sa v prírode nie sú vysvetlené v zákonoch mechaniky, termodynamiky a molekulárnej kinetickej teórie. Takéto javy sú založené na vplyve síl pôsobiacich medzi telesami na diaľku a nezávisle od hmotnosti interagujúcich telies, čo okamžite popiera ich možnú gravitačnú povahu. Tieto sily sú tzv elektromagnetické.

Dokonca aj starí Gréci mali určité pochopenie elektromagnetických síl. Avšak až koncom 18. storočia sa začalo so systematickým, kvantitatívnym skúmaním fyzikálnych javov spojených s elektromagnetickou interakciou telies.

Definícia 2

Vďaka tvrdej práci veľká kvantita Vedci v 19. storočí dokončili vytvorenie úplne novej, harmonickej vedy zaoberajúcej sa štúdiom magnetických a elektrických javov. Tak dostalo meno jedno z najdôležitejších odvetví fyziky elektrodynamika.

Elektrina a prúdy vytvorené elektrickými nábojmi a prúdmi magnetické polia sa stali jeho hlavným predmetom štúdia.

Pojem náboja v elektrodynamike hrá rovnakú úlohu ako gravitačná hmotnosť v newtonovskej mechanike. Je súčasťou základu sekcie a je pre ňu primárna.

Definícia 3

Nabíjačka je fyzikálna veličina, ktorá charakterizuje vlastnosť častíc alebo telies vstúpiť do elektromagnetických silových interakcií.

Písmená q alebo Q v elektrodynamike zvyčajne označujú elektrický náboj.

Súhrnne nám všetky známe experimentálne overené fakty dávajú príležitosť vyvodiť tieto závery:

Definícia 4

Existujú dva typy elektrických nábojov. Tieto sa bežne nazývajú kladné a záporné náboje.

Definícia 5

Náboje sa môžu prenášať (napríklad priamym kontaktom) medzi telami. Elektrický náboj, na rozdiel od telesnej hmotnosti, nie je jeho integrálnou charakteristikou. Jedno konkrétne telo za rôznych podmienok môže prijať iný význam poplatok.

Definícia 6

Ako náboje odpudzujú, na rozdiel od nábojov priťahujú. Tento fakt odhaľuje ďalší zásadný rozdiel medzi elektromagnetickými a gravitačnými silami. Gravitačné sily sú vždy príťažlivé sily.

Zákon zachovania elektrického náboja je jedným zo základných prírodných zákonov.

V izolovanom systéme je algebraický súčet nábojov všetkých telies konštantný:

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

Definícia 7

Zákon zachovania elektrického náboja hovorí, že v uzavretej sústave telies nemožno pozorovať procesy vzniku alebo zániku nábojov len jedného znamienka.

Z pohľadu moderná veda, nosiče náboja sú elementárne častice. Akýkoľvek obyčajný predmet je vyrobený z atómov. Pozostávajú z protónov nesúcich kladný náboj, záporne nabitých elektrónov a neutrálnych častíc - neutrónov. Protóny a neutróny sú neoddeliteľnou súčasťou atómové jadrá, elektróny tvoria elektrónový obal atómov. V module sú elektrické náboje protónu a elektrónu ekvivalentné a rovné hodnote elementárneho náboja e.

V neutrálnom atóme je počet elektrónov v obale a protónov v jadre rovnaký. Počet ktorejkoľvek z daných častíc sa nazýva atómové číslo.

Takýto atóm má schopnosť stratiť aj získať jeden alebo viac elektrónov. Keď sa to stane, neutrálny atóm sa stane kladne alebo záporne nabitým iónom.

Náboj sa môže pohybovať z jedného telesa do druhého len v častiach, ktoré obsahujú celý počet elementárnych nábojov. Ukazuje sa, že elektrický náboj telesa je diskrétna veličina:

q = ± ne (n = 0, 1, 2,...).

Definícia 8

Fyzikálne veličiny, ktoré môžu nadobudnúť výlučne diskrétny rad hodnôt, sa nazývajú kvantované.

Definícia 9

Základný poplatok e predstavuje kvantum, teda najmenšiu možnú časť elektrického náboja.

Definícia 10

Trochu zo všetkého vyššie uvedeného je fakt existencie v modernej fyzike elementárnych častíc tzv kvarky– častice s čiastkovým nábojom ± 1 3 e a ± 2 3 e.

Vedcom sa však nikdy nepodarilo pozorovať kvarky vo voľnom stave.

Definícia 11

Na detekciu a meranie elektrických nábojov v laboratórne podmienky Zvyčajne sa používa elektromer - zariadenie pozostávajúce z kovovej tyče a ukazovateľa, ktoré sa môže otáčať okolo vodorovnej osi (obr. 1. 1. 1).

Tyč šípu je izolovaná od kovového tela. V kontakte s tyčou elektromera vyvoláva nabité teleso distribúciu elektrických nábojov rovnakého znamienka pozdĺž tyče a šípky. Vplyvom elektrických odpudivých síl dochádza k vychýleniu ihly pod určitým uhlom, pomocou ktorého možno určiť náboj prenesený na tyč elektromera.

Obrázok 1. 1. 1. Prenos náboja z nabitého telesa na elektromer.

Elektrometer je dosť hrubý prístroj. Jeho citlivosť neumožňuje študovať sily interakcie medzi nábojmi. V roku 1785 bol prvýkrát objavený zákon interakcie stacionárnych nábojov. Objaviteľom bol francúzsky fyzik C. Coulomb. Pri svojich pokusoch meral sily priťahovania a odpudzovania nabitých guľôčok pomocou prístroja, ktorý skonštruoval na meranie elektrického náboja – torznej váhy (obr. 1, 1, 2), ktorá má mimoriadne vysokú citlivosť. Kladina bola pootočená o 1° pod silou približne 10 – 9 N.

Myšlienka meraní bola založená na fyzikovom odhade, že keď sa nabitá guľa dostane do kontaktu s rovnako nenabitou, existujúci náboj prvej sa rozdelí na rovnaké časti medzi telá. Tak sa získal spôsob, ako zmeniť náboj lopty dvakrát alebo viackrát.

Definícia 12

Coulomb vo svojich experimentoch meral interakciu medzi loptičkami, ktorých veľkosti boli podstatne menšie ako vzdialenosť, ktorá ich oddeľovala, a preto ich možno zanedbať. Takéto nabité telesá sa zvyčajne nazývajú bodové poplatky.

Obrázok 1. 1. 2. Coulombov prístroj.

Obrázok 1. 1. 3. Sily interakcie medzi podobnými a rozdielnymi nábojmi.

Na základe mnohých experimentov Coulomb stanovil nasledujúci zákon:

Definícia 13

Sily interakcie medzi stacionárnymi nábojmi sú priamo úmerné súčinu modulov náboja a nepriamo úmerné druhej mocnine vzdialenosti medzi nimi: F = k q 1 · q 2 r 2 .

Interakčné sily sú odpudivé sily s rovnakými znakmi náboja a príťažlivé sily s rôznymi znakmi (obr. 1, 1, 3) a tiež sa riadia tretím Newtonovým zákonom:
F 1 → = - F 2 → .

Definícia 14

Coulomb alebo elektrostatická interakcia je účinok stacionárnych elektrických nábojov na seba.

Definícia 15

Odvetvie elektrodynamiky venované štúdiu Coulombovej interakcie je tzv elektrostatika.

Na bodovo nabité telesá možno aplikovať Coulombov zákon. V praxi je plne vyhovujúce, ak možno zanedbať rozmery nabitých telies vzhľadom na vzdialenosť medzi objektmi interakcie, ktorá ich výrazne prevyšuje.

Koeficient úmernosti k v Coulombovom zákone závisí od výberu sústavy jednotiek.

V medzinárodnom systéme symbolov je jednotkou merania elektrického náboja coulomb (K l).

Definícia 16

Prívesok je náboj, ktorý prejde prierezom vodiča za 1 s pri sile prúdu 1 A. Jednotka intenzity prúdu (ampér) v CI je spolu s jednotkami dĺžky, času a hmotnosti hlavnou jednotkou merania. .

Koeficient k v systéme CI je vo väčšine prípadov zapísaný ako nasledujúci výraz:

k = 1 4 π ε 0.

V ktorom ε 0 = 8,85 · 10 - 12 K l 2 N · m 2 je elektrická konštanta.

V systéme C I sa elementárny náboj e rovná:

e = 1,602177 10 - 19 Kl ≈ 1,6 10 - 19 Kl.

Na základe skúseností môžeme povedať, že sily Coulombovej interakcie sa riadia princípom superpozície.

Veta 1

Ak nabité teleso interaguje súčasne s viacerými nabitými telesami, potom výsledná sila pôsobiaca na dané teleso sa rovná vektorovému súčtu síl pôsobiacich na toto teleso od všetkých ostatných nabitých telies.

Na obrázku 1. 1. 4 je na príklade elektrostatickej interakcie troch nabitých telies vysvetlený princíp superpozície.

Obrázok 1. 1. 4. Princíp superpozície elektrostatických síl F → = F21 → + F31 → ; F 2 → = F 12 → + F 32 → ; F 3 → = F 13 → + F 23 → .

Obrázok 1. 1. 5. Model interakcie bodových nábojov.

Aj keď je princíp superpozície základným prírodným zákonom, jeho použitie vyžaduje určitú opatrnosť pri aplikácii na interakciu nabitých telies konečných rozmerov. Príkladom by mohli byť dve vodiace nabité gule 1 a 2. Ak sa do podobného systému pozostávajúceho z dvoch nabitých gúľ privedie ďalšia nabitá guľa, potom interakcia medzi 1 a 2 prejde zmenami v dôsledku prerozdelenia nábojov.

Princíp superpozície predpokladá, že sily elektrostatickej interakcie medzi akýmikoľvek dvoma telesami nezávisia od prítomnosti iných nabitých telies za predpokladu, že rozloženie nábojov je pevné (dané).

Ak si všimnete chybu v texte, zvýraznite ju a stlačte Ctrl+Enter

Jednoduché experimenty s elektrifikáciou rôznych telies ilustrujú nasledujúce body.

1. Existujú dva typy nábojov: kladný (+) a záporný (-). Kladný náboj vzniká, keď sa sklo trie o kožu alebo hodváb, a záporný náboj, keď sa jantár (alebo ebonit) trie o vlnu.

2. Poplatky (príp nabité telá) vzájomne pôsobia. Rovnaké poplatky odtlačiť a na rozdiel od poplatkov sú priťahovaní.

3. Stav elektrifikácie sa môže prenášať z jedného telesa na druhé, čo je spojené s prenosom elektrického náboja. V tomto prípade môže byť na telo prenesený väčší alebo menší náboj, teda náboj má veľkosť. Pri elektrizovaní trením získajú obe telesá náboj, jedno je kladné a druhé záporné. Je potrebné zdôrazniť, že absolútne hodnoty nábojov telies elektrizovaných trením sú rovnaké, čo potvrdzujú početné merania nábojov pomocou elektromerov.

Bolo možné vysvetliť, prečo sa telesá elektrizujú (t. j. nabijú) počas trenia po objavení elektrónu a štúdiu štruktúry atómu. Ako viete, všetky látky pozostávajú z atómov; atómy zase pozostávajú z elementárnych častíc - negatívne nabitých elektróny, kladne nabitý protóny a neutrálne častice - neutróny. Elektróny a protóny sú nositeľmi elementárnych (minimálnych) elektrických nábojov.

Elementárny elektrický náboj ( e) je najmenší elektrický náboj, kladný alebo záporný, rovný náboju elektrónu:

e = 1,6021892(46) 10-19 °C.

Existuje veľa nabitých elementárnych častíc a takmer všetky majú náboj +e alebo -e tieto častice sú však veľmi krátkodobé. Žijú menej ako milióntinu sekundy. Len elektróny a protóny existujú vo voľnom stave neobmedzene dlho.

Protóny a neutróny (nukleóny) tvoria kladne nabité jadro atómu, okolo ktorého rotujú záporne nabité elektróny, ktorých počet sa rovná počtu protónov, takže atóm ako celok je elektráreň.

Za normálnych podmienok sú telesá pozostávajúce z atómov (alebo molekúl) elektricky neutrálne. Počas procesu trenia sa však niektoré elektróny, ktoré opustili svoje atómy, môžu pohybovať z jedného tela do druhého. Pohyby elektrónov nepresahujú medziatómové vzdialenosti. Ale ak sú telá po trení oddelené, ukáže sa, že sú nabité; telo, ktoré sa vzdalo niektorých svojich elektrónov, bude nabité kladne a telo, ktoré ich získalo, bude nabité záporne.

Telá sa teda elektrizujú, to znamená, že dostanú elektrický náboj, keď stratia alebo získajú elektróny. V niektorých prípadoch je elektrifikácia spôsobená pohybom iónov. V tomto prípade nevznikajú žiadne nové elektrické náboje. Existuje len rozdelenie existujúcich nábojov medzi elektrizujúce telesá: časť negatívnych nábojov prechádza z jedného telesa do druhého.

Stanovenie poplatku.

Zvlášť treba zdôrazniť, že náboj je integrálnou vlastnosťou častice. Môžete si predstaviť časticu bez náboja, ale nemôžete si predstaviť náboj bez častice.

Nabité častice sa prejavujú príťažlivosťou (opačné náboje) alebo odpudzovaním (ako náboje) silami, ktoré sú o mnoho rádov väčšie ako gravitačné sily. Sila elektrickej príťažlivosti elektrónu k jadru atómu vodíka je teda 10 39-krát väčšia ako sila gravitačnej príťažlivosti týchto častíc. Interakcia medzi nabitými časticami je tzv elektromagnetická interakcia, a elektrický náboj určuje intenzitu elektromagnetických interakcií.

V modernej fyzike je náboj definovaný takto:

Nabíjačka je fyzikálna veličina, ktorá je zdrojom elektrického poľa, prostredníctvom ktorého dochádza k interakcii častíc s nábojom.

3.1. Nabíjačka

Už v dávnych dobách si ľudia všimli, že kus jantáru, ktorý sa nosí s vlnou, začal priťahovať rôzne drobné predmety: škvrny prachu, nite a podobne. Sami môžete ľahko vidieť, že plastový hrebeň, trený o vlasy, začína priťahovať malé kúsky papiera. Tento jav sa nazýva elektrifikácia, a sily pôsobiace v tomto prípade sú elektrické sily. Oba názvy pochádzajú z gréckeho slova elektrón, čo znamená jantár.
Pri trení hrebeňom o vlasy alebo ebonitovou tyčinkou o vlnené predmety nabíjanie, tvoria sa elektrické náboje. Nabité telesá medzi sebou interagujú a vznikajú medzi nimi elektrické sily.
Nielen pevné látky, ale aj kvapaliny a dokonca aj plyny môžu byť elektrizované trením.
Keď sú telesá elektrifikované, látky, ktoré tvoria zelektrizované telesá, sa nepremieňajú na iné látky. Elektrifikácia je teda fyzikálny jav.
Existujú dva rôzne druhy elektrických nábojov. Celkom svojvoľne sa nazývajú „ pozitívny" poplatok a " negatívny" náboj (a dalo by sa ich nazvať „čierne“ a „biele“ alebo „krásne“ a „strašné“ alebo niečo iné).
Kladne nabitý nazývame telesá, ktoré pôsobia na iné nabité predmety rovnako ako sklo elektrizované trením o hodváb.
Negatívne nabité nazývajte telesá, ktoré pôsobia na iné nabité predmety rovnakým spôsobom ako pečatný vosk elektrifikovaný trením o vlnu.
Hlavná vlastnosť nabitých telies a častíc: Pravdepodobne nabité telesá a častice sa odpudzujú a opačne nabité sa priťahujú. Pri experimentoch so zdrojmi elektrických nábojov sa zoznámite s niektorými ďalšími vlastnosťami týchto nábojov: náboje môžu „pretekať“ z jedného objektu na druhý, hromadiť sa, medzi nabitými telesami môže dôjsť k elektrickému výboju a pod. Tieto vlastnosti si podrobne preštudujete na kurze fyziky.

3.2. Coulombov zákon

Nabíjačka ( Q alebo q) je fyzikálna veličina, môže byť väčšia alebo menšia, a preto sa dá merať. Fyzici však ešte nevedia navzájom priamo porovnávať náboje, takže neporovnávajú samotné náboje, ale účinok, ktorý nabité telesá na seba majú, alebo na iné telesá, napríklad silu, ktorou jedno nabité teleso pôsobí. ďalší.

Sily (F) pôsobiace na každé z dvoch bodovo nabitých telies smerujú opačne pozdĺž priamky spájajúcej tieto telesá. Ich hodnoty sú si navzájom rovné, priamo úmerné súčinu nábojov týchto telies (q 1 ) a (q 2 ) a sú nepriamo úmerné druhej mocnine vzdialenosti (l) medzi nimi.

Tento vzťah sa nazýva "Coulombov zákon" na počesť francúzskeho fyzika Charlesa Coulomba (1763-1806), ktorý ho objavil v roku 1785. Závislosť Coulombových síl od znamienka náboja a vzdialenosti medzi nabitými telesami, ktorá je pre chémiu najdôležitejšia, je názorne znázornená na obr. 3.1.

Jednotkou merania elektrického náboja je coulomb (definícia v kurze fyziky). Náboj 1 C pretečie 100-wattovou žiarovkou asi za 2 sekundy (pri napätí 220 V).

3.3. Elementárny elektrický náboj

Až do konca 19. storočia zostala povaha elektriny nejasná, ale početné experimenty viedli vedcov k záveru, že veľkosť elektrického náboja sa nemôže plynule meniť. Zistilo sa, že existuje najmenšia, ďalej nedeliteľná časť elektriny. Náboj tejto časti sa nazýva „elementárny elektrický náboj“ (označený písmenom e). Ukázalo sa, že 1.6. 10-19 ročníkov To je veľmi malá hodnota – takmer 3 miliardy elementárnych elektrických nábojov prejde vláknom tej istej žiarovky za 1 sekundu.
Akýkoľvek náboj je násobkom elementárneho elektrického náboja, preto je vhodné použiť elementárny elektrický náboj ako jednotku merania pre malé náboje. teda

1e= 1,6. 10-19 ročníkov

Na prelome 19. a 20. storočia si fyzici uvedomili, že nositeľom elementárneho negatívneho elektrického náboja je mikročastica, tzv. elektrón(Joseph John Thomson, 1897). Nositeľom elementárneho kladného náboja je mikročastica tzv protón- bol objavený o niečo neskôr (Ernest Rutherford, 1919). Zároveň bolo dokázané, že kladné a záporné elementárne elektrické náboje sú v absolútnej hodnote rovnaké

Elementárny elektrický náboj je teda náboj protónu.
O ďalších charakteristikách elektrónu a protónu sa dozviete v ďalšej kapitole.

Napriek tomu, že zloženie fyzických telies zahŕňa nabité častice, v normálnom stave sú telesá nenabité, príp elektricky neutrálny. Mnohé zložité častice, ako sú atómy alebo molekuly, sú tiež elektricky neutrálne. Celkový náboj takejto častice alebo takého telesa sa ukáže ako nulový, pretože počet elektrónov a počet protónov zahrnutých v zložení častice alebo telesa sú rovnaké.

Telesá alebo častice sa nabíjajú, ak sú elektrické náboje oddelené: na jednom tele (alebo častici) je prebytok elektrických nábojov jedného znamenia a na druhom - iného. V chemických javoch sa elektrický náboj ktoréhokoľvek znamienka (pozitívneho alebo záporného) nemôže objaviť ani zaniknúť, pretože nosiče elementárnych elektrických nábojov len jedného znamenia sa nemôžu objaviť ani zaniknúť.

POZITÍVNY ELEKTRICKÝ NÁBOJ, ZÁPADNÝ ELEKTRICKÝ NÁBOJ, ZÁKLADNÉ VLASTNOSTI NABITÝCH TELES A ČASTÍC, COULLOMBOV ZÁKON, ZÁKLADNÝ NÁBOJ ELEKTRICKEJ ELEKTRINY
1.Ako sa hodváb nabije pri trení o sklo? Čo s vlnou pri trení o pečatný vosk?
2.Aký počet elementárnych elektrických nábojov tvorí 1 coulomb?
3. Určte, akou silou sa priťahujú dve telesá s nábojmi +2 C a –3 C, ktoré sa nachádzajú vo vzdialenosti 0,15 m od seba.
4. Dve telesá s nábojmi +0,2 C a –0,2 C sú od seba vzdialené 1 cm. Určte silu, ktorou sa priťahujú.
5. Akou silou sa odpudzujú dve častice s rovnakým nábojom +3? e, a nachádza sa vo vzdialenosti 2 E? Hodnota konštanty v rovnici Coulombovho zákona k= 9. 109 N. m2/Cl2.
6. Akou silou je elektrón priťahovaný k protónu, ak je vzdialenosť medzi nimi 0,53 E? A čo protón k elektrónu?
7.Dve rovnaké a rovnako nabité guľôčky sú spojené nevodivým závitom. Stred závitu je pevne pripevnený. Nakreslite, ako budú tieto guľôčky umiestnené v priestore za podmienok, keď je možné zanedbať gravitačnú silu.
8. Ako sa za rovnakých podmienok budú v priestore nachádzať tri rovnaké guľôčky, priviazané niťami rovnakej dĺžky k jednej podpere? Čo tak štyri?
Pokusy o priťahovaní a odpudzovaní nabitých telies.