Esej o elektrotehniki

Dopolnil: Roman Agafonov

Agroindustrijska šola Luga

Nemogoče je podati kratko definicijo dajatve, ki bi bila v vseh pogledih zadovoljiva. Navajeni smo najti razumljive razlage za zelo zapletene tvorbe in procese, kot so atom, tekoči kristali, porazdelitev molekul po hitrostih ipd. Toda najosnovnejših, temeljnih konceptov, nedeljivih na enostavnejše, brez kakršnega koli notranjega mehanizma po današnjem mnenju znanosti, ni mogoče na kratko razložiti na zadovoljiv način. Še posebej, če predmetov naša čutila ne zaznavajo neposredno. Med te temeljne koncepte sodi električni naboj.

Poskusimo najprej ugotoviti, ne kaj je električni naboj, ampak kaj se skriva za trditvijo, da ima dano telo ali delec električni naboj.

Saj veste, da so vsa telesa zgrajena iz najmanjših, nedeljivih v enostavnejše (kolikor je znanost zdaj znana) delcev, ki se zato imenujejo elementarni. Vsi osnovni delci imajo maso in zaradi tega se med seboj privlačijo. V skladu z zakonom univerzalne gravitacije sila privlačnosti upada razmeroma počasi, ko se razdalja med njima povečuje: obratno sorazmerno s kvadratom razdalje. Poleg tega ima večina elementarnih delcev, čeprav ne vsi, sposobnost interakcije med seboj s silo, ki pada tudi obratno sorazmerno s kvadratom razdalje, vendar je ta sila ogromno število, krat večja od sile gravitacije. Torej, v atomu vodika, ki je shematično prikazan na sliki 1, elektron privlači jedro (proton) s silo, ki je 1039-krat večja od sile gravitacijske privlačnosti.

Če delci medsebojno delujejo s silami, ki se z razdaljo počasi zmanjšujejo in so mnogokrat večje od sil univerzalne gravitacije, potem pravimo, da imajo ti delci električni naboj. Sami delci se imenujejo nabiti. Obstajajo delci brez električnega naboja, toda električnega naboja brez delca ni.

Interakcije med nabitimi delci imenujemo elektromagnetne. Ko rečemo, da so elektroni in protoni električno nabiti, to pomeni, da so sposobni interakcij določene vrste (elektromagnetne) in nič več. Odsotnost naboja na delcih pomeni, da ne zazna takih interakcij. Električni naboj določa intenzivnost elektromagnetnih interakcij, tako kot masa določa intenzivnost gravitacijskih interakcij. Električni naboj je druga najpomembnejša lastnost elementarnih delcev (za maso), ki določa njihovo obnašanje v okoliškem svetu.

torej

Električni naboj je fizikalna skalarna količina, ki označuje lastnost delcev ali teles, da vstopijo v interakcije elektromagnetnih sil.

Električni naboj označujemo s črkama q ali Q.

Tako kot se v mehaniki pogosto uporablja koncept materialne točke, ki omogoča bistveno poenostavitev reševanja številnih problemov, se pri proučevanju medsebojnega delovanja nabojev izkaže, da je koncept točkovnega naboja učinkovit. Točkovni naboj je naelektreno telo, katerega dimenzije so veliko manjše od razdalje tega telesa do točke opazovanja in drugih naelektrenih teles. Zlasti, če govorimo o interakciji dveh točkastih nabojev, potem predpostavljamo, da je razdalja med obema obravnavanima nabitima telesoma veliko večja od njunih linearnih dimenzij.

Električni naboj elementarnega delca ni poseben »mehanizem« v delcu, ki bi ga lahko odstranili iz delca, ga razgradili na sestavne dele in ponovno sestavili. Prisotnost električnega naboja v elektronu in drugih delcih pomeni le obstoj določenih interakcij med njimi.

V naravi obstajajo delci z nasprotnimi predznaki. Naboj protona imenujemo pozitiven, naboj elektrona pa negativen. Pozitivni predznak naboja delca seveda ne pomeni, da ima posebne prednosti. Uvedba nabojev dveh predznakov preprosto izraža dejstvo, da se nabiti delci lahko privlačijo in odbijajo. Delci z enakim predznakom se odbijajo, z različnimi predznaki pa se privlačijo.

Trenutno ni razlage razlogov za obstoj dveh vrst električnih nabojev. V vsakem primeru ni najdenih temeljnih razlik med pozitivnimi in negativnimi naboji. Če bi bili znaki električnih nabojev delcev obrnjeni, se narava elektromagnetnih interakcij v naravi ne bi spremenila.

Pozitivni in negativni naboji so v vesolju zelo dobro kompenzirani. In če je vesolje končno, potem je njegov skupni električni naboj po vsej verjetnosti enak nič.

Najbolj presenetljivo je, da je električni naboj vseh elementarnih delcev popolnoma enak v absolutni vrednosti. Obstaja minimalni naboj, imenovan elementarni, ki ga imajo vsi nabiti osnovni delci. Naboj je lahko pozitiven, kot proton, ali negativen, kot elektron, vendar je modul naboja v vseh primerih enak.

Nemogoče je ločiti del naboja, na primer, od elektrona. To je morda najbolj neverjetna stvar. Nobena sodobna teorija ne more pojasniti, zakaj so naboji vseh delcev enaki, in ne more izračunati vrednosti najmanjšega električnega naboja. Ugotavljamo jo eksperimentalno s pomočjo različnih poskusov.

V šestdesetih letih 20. stoletja, potem ko je začelo število na novo odkritih osnovnih delcev grozeče naraščati, je bila postavljena hipoteza, da so vsi močno medsebojno delujoči delci sestavljeni. Bolj temeljne delce so imenovali kvarki. Izkazalo se je presenetljivo, da morajo imeti kvarki delni električni naboj: 1/3 in 2/3 osnovnega naboja. Za konstruiranje protonov in nevtronov zadoščata dve vrsti kvarkov. In njihovo največje število očitno ne presega šest.

Nemogoče je ustvariti makroskopski standard enote električnega naboja, podoben standardu dolžine - meter, zaradi neizogibnega uhajanja naboja. Naravno bi bilo vzeti naboj elektrona kot enoto (to se zdaj počne v atomski fiziki). Toda v času Coulomba obstoj elektrona v naravi še ni bil znan. Poleg tega je naboj elektrona premajhen in ga je zato težko uporabiti kot referenco.

Obstajata dve vrsti električnih nabojev, ki jih običajno imenujemo pozitivni in negativni. Pozitivno naelektrena telesa so tista, ki delujejo na druga naelektrena telesa enako kot steklo, naelektreno s trenjem ob svilo. Negativno nabita telesa so tista, ki delujejo enako kot ebonit, naelektren s trenjem z volno. Izbira imena "pozitivni" za naboje, ki nastanejo na steklu, in "negativni" za naboje na ebonitu je povsem naključna.

Naboji se lahko prenašajo (na primer z neposrednim stikom) z enega telesa na drugo. Za razliko od telesne mase električni naboj ni lastna lastnost danega telesa. Isto telo ima lahko v različnih pogojih različen naboj.

Podobni naboji odbijajo, za razliko od nabojev privlačijo. To tudi kaže na temeljno razliko med elektromagnetnimi in gravitacijskimi silami. Gravitacijske sile so vedno sile privlačnosti.

Pomembna lastnost električnega naboja je njegova diskretnost. To pomeni, da obstaja nek najmanjši, univerzalen, nadalje nedeljiv elementarni naboj, tako da je naboj q katerega koli telesa večkratnik tega elementarnega naboja:

,

kjer je N celo število, e je vrednost osnovnega naboja. Po sodobnih konceptih je ta naboj številčno enak naboju elektrona e = 1,6∙10-19 C. Ker je velikost osnovnega naboja zelo majhna, je za večino opazovanih in v praksi uporabljenih nabitih teles število N zelo veliko in diskretna narava spremembe naboja se ne kaže. Zato se domneva, da se v normalnih pogojih električni naboj teles skoraj nenehno spreminja.

Zakon o ohranitvi električnega naboja.

Znotraj zaprtega sistema za kakršne koli interakcije algebraična vsota električni naboji ostanejo konstantni:

.

Izoliran (ali zaprt) sistem bomo imenovali sistem teles, v katerega se električni naboji ne vnašajo od zunaj in se iz njega ne odvajajo.

Nikjer in nikoli v naravi ne nastane in izgine električni naboj enakega predznaka. Pojav pozitivnega električnega naboja vedno spremlja pojav negativnega naboja, ki je enak absolutni vrednosti. Niti pozitivni niti negativni naboj ne moreta ločeno izginiti, medsebojno se nevtralizirata le, če sta absolutno enaka.

Tako se lahko osnovni delci spreminjajo drug v drugega. Toda vedno pri rojstvu nabitih delcev opazimo pojav para delcev z naboji nasprotnega znaka. Opazimo lahko tudi sočasno rojstvo več takih parov. Nabiti delci izginejo in se spremenijo v nevtralne, tudi samo v parih. Vsa ta dejstva ne puščajo nobenega dvoma o strogem izvajanju zakona o ohranitvi električnega naboja.

Razlog za ohranitev električnega naboja še ni znan.

Elektrifikacija telesa

Makroskopska telesa so praviloma električno nevtralna. Atom katere koli snovi je nevtralen, saj je število elektronov v njem enako številu protonov v jedru. Pozitivno in negativno nabiti delci so med seboj povezani z električnimi silami in tvorijo nevtralne sisteme.

Veliko telo je naelektreno, če vsebuje presežek elementarnih delcev z enakim predznakom naboja. Negativni naboj telesa nastane zaradi presežka elektronov v primerjavi s protoni, pozitiven pa zaradi njihovega pomanjkanja.

Da bi dobili električno nabito makroskopsko telo ali, kot pravijo, da bi ga naelektrili, je treba ločiti del negativnega naboja od pozitivnega naboja, ki je z njim povezan.

Najlažji način za to je s trenjem. Če greste z glavnikom skozi lase, potem bo majhen del najbolj mobilnih nabitih delcev – elektronov – prešel iz las na glavnik in ga naelektril negativno, lasje pa bodo naelektreni pozitivno. Ko se naelektrita s trenjem, obe telesi pridobita naboje, ki so nasprotni po predznaku, vendar enaki po velikosti.

S trenjem je zelo enostavno naelektriti telesa. Toda razložiti, kako se to zgodi, se je izkazalo za zelo težko nalogo.

1 različica. Pri naelektrenju teles je pomemben tesen stik med njimi. Električne sile zadržujejo elektrone v telesu. Toda za različne snovi so te sile različne. V tesnem stiku preide majhen del elektronov snovi, pri kateri je povezava elektronov s telesom relativno šibka, na drugo telo. V tem primeru premiki elektronov ne presegajo velikosti medatomskih razdalj (10-8 cm). Če pa sta telesi ločeni, bosta obe obtoženi. Ker površine teles nikoli niso popolnoma gladke, se tesen stik med telesi, ki je potreben za prehod, vzpostavi le na majhnih delih površin. Ko se telesa drgnejo eno ob drugo, se poveča število območij tesnega stika in s tem se poveča skupno število nabitih delcev, ki prehajajo iz enega telesa v drugo. Vendar ni jasno, kako se lahko elektroni premikajo v takšnih neprevodnih snoveh (izolatorjih), kot so ebonit, pleksi steklo in drugi. Vezani so v nevtralne molekule.

2 različica. Na primeru ionskega kristala LiF (izolatorja) je ta razlaga videti takole. Med nastajanjem kristala, različne vrste napake, zlasti prosta mesta - nezapolnjena mesta v vozliščih kristalne mreže. Če število prostih mest za pozitivne litijeve ione in negativne ione za fluor ni enako, bo kristal med tvorbo volumsko nabit. Toda naboja kot celote ni mogoče dolgo shraniti v kristalu. V zraku je vedno določena količina ionov in kristal jih bo črpal iz zraka, dokler naboj kristala ne nevtralizira plast ionov na njegovi površini. Različni izolatorji imajo različne prostorske naboje, zato so naboji površinskih plasti ionov različni. Med trenjem se površinske plasti ionov pomešajo in ko se izolatorji ločijo, se vsak izmed njih naelektri.

In ali se lahko med trenjem naelektrita dva enaka izolatorja, na primer isti kristali LiF? Če imata enake intrinzične prostorske naboje, potem ne. Lahko pa imajo tudi različne intrinzične naboje, če so bili pogoji kristalizacije drugačni in se je pojavilo različno število prostih mest. Kot so pokazale izkušnje, lahko med trenjem enakih kristalov rubina, jantarja itd. dejansko pride do elektrifikacije. Vendar je ta razlaga komaj v vseh primerih pravilna. Če so telesa sestavljena na primer iz molekularnih kristalov, potem pojav prostih delovnih mest v njih ne bi smel povzročiti polnjenja telesa.

Druga metoda elektrifikacije teles je vpliv nanje različnih sevanj (zlasti ultravijoličnega, rentgenskega in γ-sevanja). Ta metoda je najbolj učinkovita pri elektrizaciji kovin, ko se elektroni pod vplivom sevanja izločijo s površine kovine in prevodnik pridobi pozitiven naboj.

Elektrifikacija skozi vpliv. Prevodnik se naelektri ne samo ob stiku z nabitim telesom, ampak tudi, ko je na določeni razdalji. Raziščimo ta pojav podrobneje. Lahke liste papirja obesimo na izoliran vodnik (slika 3). Če prevodnik ni prvotno naelektren, bodo listi v neodklonjeni legi. Približajmo se zdaj prevodniku z izolirano kovinsko kroglico, močno naelektreno, na primer s stekleno palico. Videli bomo, da sta plošči, ki visita na koncih telesa, v točkah a in b, odklonjeni, čeprav se naelektreno telo ne dotika prevodnika. Prevodnik je bil naelektren z vplivom, zato so sam pojav poimenovali "elektrifikacija z vplivom" ali "električna indukcija". Naboje, dobljene z električno indukcijo, imenujemo inducirani ali inducirani. Listi, obešeni blizu sredine telesa, na točkah a' in b', ne odstopajo. To pomeni, da inducirani naboji nastanejo samo na koncih telesa, njegova sredina pa ostane nevtralna oziroma nenaelektrena. Če naelektreno stekleno paličico približamo ploščam, obešenim na točkah a in b, se zlahka prepričamo, da se plošče v točki b od nje odbijajo, plošče v točki a pa privlačijo. To pomeni, da na oddaljenem koncu prevodnika nastane naboj istega predznaka kot na kroglici, na bližnjih delih pa naboji drugačnega predznaka. Ko odstranimo naelektreno kroglo, bomo videli, da bodo listi padli. Povsem analogno poteka pojav, če poskus ponovimo z negativnim nabojem krogle (npr. s pomočjo pečatnega voska).

Z vidika elektronske teorije je te pojave enostavno razložiti z obstojem prostih elektronov v prevodniku. Ko se na prevodnik nanese pozitiven naboj, se elektroni pritegnejo k sebi in se kopičijo na najbližjem koncu prevodnika. Na njem je določeno število "odvečnih" elektronov in ta del prevodnika je negativno nabit. Na skrajnem koncu je pomanjkanje elektronov in posledično presežek pozitivnih ionov: tu se pojavi pozitivni naboj.

Ko negativno nabito telo pripeljemo do prevodnika, se na oddaljenem koncu kopičijo elektroni, na bližnjem koncu pa dobimo presežek pozitivnih ionov. Po odstranitvi naboja, ki povzroči gibanje elektronov, se ti ponovno porazdelijo po prevodniku, tako da so vsi njegovi odseki še vedno nenaelektreni.

Gibanje nabojev vzdolž prevodnika in njihovo kopičenje na njegovih koncih se bo nadaljevalo, dokler učinek presežnih nabojev, ki nastanejo na koncih prevodnika, ne uravnoteži tistih električnih sil, ki izhajajo iz krogle, pod vplivom katerih pride do prerazporeditve elektronov. Odsotnost naboja na sredini telesa kaže, da so sile, ki izhajajo iz krogle, tukaj uravnotežene, sile, s katerimi se presežni naboji naberejo na koncih prevodnika, pa delujejo na proste elektrone.

Inducirane naboje lahko ločimo, če ob prisotnosti nabitega telesa prevodnik razdelimo na dele. Takšna izkušnja je prikazana na sl. 4. V tem primeru se premaknjeni elektroni ne morejo več vrniti nazaj po odstranitvi nabite krogle; saj je med obema deloma prevodnika dielektrik (zrak). Odvečni elektroni so razporejeni po celotni levi strani; pomanjkanje elektronov v točki b se delno dopolni iz območja točke b ', tako da se izkaže, da je vsak del prevodnika nabit: levi - z nabojem, ki je v znaku nasproten naboju kroglice, desni - z nabojem enakega imena kot naboj kroglice. V točkah a in b se ne ločijo samo listi, temveč tudi listi, ki so prej ostali negibni v točkah a’ in b’.

Burov L.I., Strelchenya V.M. Fizika od A do Ž: za študente, kandidate, mentorje. - Minsk: Paradoks, 2000. - 560 str.

Myakishev G.Ya. Fizika: Elektrodinamika. 10-11 celic: učbenik. Za poglobljena študija fizika /G.Ya. Myakishev, A.Z. Sinyakov, B.A. Slobodskov. - M.Zh Drofa, 2005. - 476 str.

Fizika: Uč. dodatek za 10 celic. šola in razrede s poglabljanjem. študija fiziki / O. F. Kabardin, V. A. Orlov, E. E. Evenchik in drugi; Ed. A. A. Pinsky. - 2. izd. – M.: Razsvetljenje, 1995. – 415 str.

Osnovni učbenik fizike: učni priročnik. V 3 zvezkih / Ed. G.S. Landsberg: T. 2. Elektrika in magnetizem. - M: FIZMATLIT, 2003. - 480 str.

Če stekleno palico podrgnete po listu papirja, bo palica pridobila sposobnost, da pritegne liste "sultana", dlake, tanke curke vode. Pri česanju suhih las s plastičnim glavnikom se lasje privlačijo na glavnik. V teh preprostih primerih se srečamo z manifestacijo sil, ki jih imenujemo električne.

Telesa ali delce, ki delujejo na okoliške predmete z električnimi silami, imenujemo naelektrena ali naelektrena. Na primer, prej omenjena steklena palica se po drgnjenju ob list papirja naelektri.

Delci imajo električni naboj, če medsebojno delujejo z električnimi silami. Električne sile se zmanjšujejo, ko se razdalja med delci povečuje. Električne sile so mnogokrat večje od sil univerzalne gravitacije.

Električni naboj je fizikalna količina, ki določa intenzivnost elektromagnetnih interakcij.

Elektromagnetne interakcije so interakcije med nabitimi delci ali telesi.

Električne naboje delimo na pozitivne in negativne. Pozitivni naboj imajo stabilni osnovni delci - protoni in pozitroni, pa tudi ioni kovinskih atomov itd. Stabilna nosilca negativnega naboja sta elektron in antiproton.

Obstajajo električno nenabiti delci, to je nevtralni: nevtron, nevtrino. Ti delci ne sodelujejo pri električnih interakcijah, saj je njihov električni naboj enak nič. Obstajajo delci brez električnega naboja, toda električnega naboja brez delca ni.

Na steklu, podrgnjenem s svilo, nastanejo pozitivni naboji. Na ebonitu, na krznu - negativni naboji. Delci se odbijajo z naboji istega predznaka (kot naboji), z različnimi predznaki (nasprotni naboji) pa se delci privlačijo.

Vsa telesa so sestavljena iz atomov. Atomi so sestavljeni iz pozitivno nabitega atomskega jedra in negativno nabitih elektronov, ki se gibljejo okoli atomskega jedra. Atomsko jedro sestavljajo pozitivno nabiti protoni in nevtralni delci – nevtroni. Naboji v atomu so porazdeljeni tako, da je atom kot celota nevtralen, to pomeni, da je vsota pozitivnih in negativnih nabojev v atomu enaka nič.

Elektroni in protoni so del vsake snovi in ​​so najmanjši stabilni osnovni delci. Ti delci lahko v prostem stanju obstajajo neomejeno dolgo. Električni naboj elektrona in protona imenujemo elementarni naboj.

Elementarni naboj je najmanjši naboj, ki ga imajo vsi nabiti osnovni delci. Električni naboj protona je v absolutni vrednosti enak naboju elektrona:

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

Vrednost katerega koli naboja je večkratnik absolutne vrednosti osnovnega naboja, to je naboja elektrona. Elektron v prevodu iz grškega elektrona - jantar, proton - iz grškega protosa - prvi, nevtron iz latinskega neutrum - ne eno ne drugo.

Preprosti poskusi elektrifikacije različnih teles ponazarjajo naslednje točke.

1. Obstajata dve vrsti nabojev: pozitivni (+) in negativni (-). Pozitivni naboj nastane, ko steklo drgnemo ob kožo ali svilo, negativni naboj pa, ko jantar (ali ebonit) drgnemo ob volno.

2. Stroški (oz naelektrena telesa) medsebojno delujejo. Obtožbe z istim imenom odbiti, in za razliko od obtožb se privlačijo.

3. Stanje naelektrenosti se lahko prenaša z enega telesa na drugo, kar je povezano s prenosom električnega naboja. V tem primeru se lahko na telo prenese večji ali manjši naboj, torej ima naboj vrednost. Pri naelektrenju s trenjem dobita obe telesi naboj, eno je pozitivno, drugo pa negativno. Poudariti je treba, da so absolutne vrednosti nabojev teles, naelektrenih s trenjem, enake, kar potrjujejo številne meritve nabojev z elektrometri.

Po odkritju elektrona in proučevanju zgradbe atoma je postalo mogoče pojasniti, zakaj so telesa med trenjem naelektrena (tj. naelektrena). Kot veste, so vse snovi sestavljene iz atomov; atomi pa so sestavljeni iz elementarnih delcev - negativno nabitih elektroni, pozitivno nabit protoni in nevtralni delci - nevtroni. Elektroni in protoni so nosilci elementarnih (minimalnih) električnih nabojev.

elementarni električni naboj ( e) - to je najmanjši električni naboj, pozitiven ali negativen, enak velikosti naboja elektrona:

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

Nabitih osnovnih delcev je veliko in skoraj vsi imajo naboj. +e oz -e, vendar so ti delci zelo kratkotrajni. Živijo manj kot milijoninko sekunde. Samo elektroni in protoni obstajajo v prostem stanju neomejeno dolgo.

Protoni in nevtroni (nukleoni) sestavljajo pozitivno nabito jedro atoma, okoli katerega se vrtijo negativno nabiti elektroni, katerih število je enako številu protonov, tako da je atom kot celota elektrarna.

V normalnih pogojih so telesa, sestavljena iz atomov (ali molekul), električno nevtralna. Vendar pa se lahko v procesu trenja del elektronov, ki so zapustili svoje atome, premakne iz enega telesa v drugo. V tem primeru premiki elektronov ne presegajo velikosti medatomskih razdalj. Če pa se telesa po trenju ločita, potem bosta naelektrena; telo, ki je oddalo nekaj svojih elektronov, bo pozitivno nabito, telo, ki jih je pridobilo, pa negativno.

Torej se telesa naelektrijo, to pomeni, da dobijo električni naboj, ko izgubijo ali pridobijo elektrone. V nekaterih primerih je elektrifikacija posledica gibanja ionov. Novi električni naboji v tem primeru ne nastanejo. Obstaja le delitev razpoložljivih nabojev med naelektrenimi telesi: del negativnih nabojev prehaja iz enega telesa v drugo.

Opredelitev naboja.

Poudariti je treba, da je naboj inherentna lastnost delca. Možno si je zamisliti delec brez naboja, nemogoče pa si je predstavljati naboj brez delca.

Nabiti delci se kažejo v privlačnosti (nasprotni naboji) ali v odboju (istoimenski naboji) s silami, ki so za veliko velikostnih redov večje od gravitacijskih. Tako je sila električnega privlaka elektrona na jedro v atomu vodika 10 39-krat večja od sile gravitacijskega privlačenja teh delcev. Interakcija med nabitimi delci se imenuje elektromagnetna interakcija, električni naboj pa določa intenzivnost elektromagnetnih interakcij.

V sodobni fiziki je naboj opredeljen na naslednji način:

Električni naboj- To fizikalna količina, ki je vir električnega polja, skozi katerega se izvaja interakcija delcev z nabojem.

Električni naboj- fizikalna količina, ki označuje sposobnost teles, da vstopijo v elektromagnetne interakcije. Merjeno v Coulombih.

elementarni električni naboj- najmanjši naboj, ki ga imajo osnovni delci (naboj protona in elektrona).

Telo ima naboj, pomeni, da ima dodatne ali manjkajoče elektrone. Ta naboj je označen q=ne. (enako je številu elementarnih nabojev).

naelektrijo telo- ustvariti presežek in pomanjkanje elektronov. Načini: elektrifikacija s trenjem in elektrifikacija s kontaktom.

natančen svit e - naboj telesa, ki ga lahko vzamemo za materialno točko.

poskusno dajatev() - točka, majhen naboj, nujno pozitiven - se uporablja za preučevanje električnega polja.

Zakon o ohranitvi naboja:v izoliranem sistemu ostane algebraična vsota nabojev vseh teles konstantna za kakršno koli interakcijo teh teles med seboj.

Coulombov zakon:sile interakcije dveh točkastih nabojev so sorazmerne s produktom teh nabojev, obratno sorazmerne s kvadratom razdalje med njima, odvisne od lastnosti medija in so usmerjene vzdolž ravne črte, ki povezuje njuna središča.

, Kje

F / m, C 2 / nm 2 - dielektrik. hitro. vakuum

- se nanaša. dielektrična konstanta (>1)

- absolutna dielektrična prepustnost. okoljih

Električno polje- materialni medij, skozi katerega pride do interakcije električnih nabojev.

Lastnosti električnega polja:

Značilnosti električnega polja:

napetost(E) je vektorska količina, ki je enaka sili, ki deluje na enoto testnega naboja, nameščenega na dano točko.

Merjeno v N/C.

Smer je enak kot za aktivno silo.

napetost ni odvisna ne glede na moč ne glede na velikost sojenja.

Superpozicija električnih polj: jakost polja, ki ga ustvari več nabojev, je enaka vektorski vsoti jakosti polja vsakega naboja:

Grafično Elektronsko polje je prikazano z napetostnimi črtami.

napetostna linija- črta, katere tangenta v vsaki točki sovpada s smerjo vektorja napetosti.

Lastnosti napetostne linije: se ne sekata, skozi vsako točko lahko potegnemo samo eno premico; niso zaprti, zapustijo pozitivni naboj in vstopijo v negativnega ali se razpršijo v neskončnost.

Vrste polj:

Enakomerno električno polje- polje, katerega vektor intenzivnosti je v vsaki točki enak po absolutni vrednosti in smeri.

Neenakomerno električno polje- polje, katerega vektor intenzivnosti v vsaki točki ni enak po absolutni vrednosti in smeri.

Konstantno električno polje– vektor napetosti se ne spremeni.

Nekonstantno električno polje- spremeni se vektor napetosti.

Delo električnega polja za premikanje naboja.

, kjer je F sila, S premik, - kot med F in S.

Za enakomerno polje: sila je konstantna.

Delo ni odvisno od oblike trajektorije; opravljeno delo za premikanje po zaprti poti je nič.

Za nehomogeno polje:

Potencial električnega polja- razmerje med delom, ki ga polje opravi, pri premikanju poskusnega električnega naboja v neskončnost, in velikostjo tega naboja.

-potencial je energetska značilnost polja. Merjeno v voltih

Potencialna razlika:

, To

, Pomeni

-potencialni gradient.

Za homogeno polje: potencialna razlika - Napetost:

. Meri se v voltih, naprave - voltmetri.

Električna zmogljivost- sposobnost teles, da kopičijo električni naboj; razmerje med nabojem in potencialom, ki je za dani prevodnik vedno konstantno.

.

Ni odvisno od naboja in ni odvisno od potenciala. Je pa odvisno od velikosti in oblike vodnika; na dielektrične lastnosti medija.

, kjer je r velikost,

- prepustnost medija okoli telesa.

Električna zmogljivost se poveča, če so v bližini kakršna koli telesa - prevodniki ali dielektriki.

Kondenzator- naprava za akumulacijo naboja. Električna zmogljivost:

Ravni kondenzator- dve kovinski plošči z dielektrikom med njima. Kapacitivnost ploščatega kondenzatorja:

, kjer je S površina plošč, d je razdalja med ploščami.

Energija nabitega kondenzatorja je enako delu, ki ga opravi električno polje pri prenosu naboja z ene plošče na drugo.

Majhen prenos polnjenja

, se bo napetost spremenila v

, delo bo opravljeno

. Ker

, in C \u003d const,

. Potem

. Integriramo:

Energija električnega polja:

, kjer je V=Sl prostornina, ki jo zavzema električno polje

Za nehomogeno polje:

.

Volumetrična gostota električnega polja:

. Merjeno v J/m 3.

električni dipol- sistem, sestavljen iz dveh enakih, vendar nasprotnih znakov, točkovnih električnih nabojev, ki se nahajajo na določeni razdalji drug od drugega (krak dipola -l).

Glavna značilnost dipola je dipolni moment je vektor, ki je enak produktu naboja in kraka dipola, usmerjenega od negativnega naboja k pozitivnemu. Označeno

. Merjeno v kulonskih metrih.

Dipol v enakomernem električnem polju.

Sile, ki delujejo na vsakega od nabojev dipola, so:

in

. Te sile so nasprotno usmerjene in ustvarjajo moment para sil - navor:, kjer

M - navor F - sile, ki delujejo na dipol

d– krak kraka l– krak dipola

p– dipolni moment E– jakost

- kot med p Eq - naboj

Pod delovanjem vrtilnega momenta se bo dipol obrnil in umiril v smeri napetostnih linij. Vektorja pi in E bosta vzporedna in enosmerna.

Dipol v nehomogenem električnem polju.

Obstaja navor, zato se bo dipol obrnil. Toda sile bodo neenake in dipol se bo premaknil tja, kjer je sila večja.

-gradient moči. Višji kot je gradient napetosti, večja je bočna sila, ki potegne dipol. Dipol je usmerjen vzdolž silnic.

Dipolno lastno polje.

Ampak. Nato:

.

Naj bo dipol v točki O in njegov krak majhen. Nato:

.

Formula je bila pridobljena ob upoštevanju:

Tako je potencialna razlika odvisna od sinusa polovičnega kota, pod katerim so vidne dipolne točke, in projekcije dipolnega momenta na premico, ki te točke povezuje.

Dielektriki v električnem polju.

Dielektrik- snov, ki nima prostih nabojev, zato ne prevaja električnega toka. Vendar v resnici prevodnost obstaja, vendar je zanemarljiva.

Dielektrični razredi:

s polarnimi molekulami (voda, nitrobenzen): molekule niso simetrične, masna središča pozitivnih in negativnih nabojev ne sovpadajo, kar pomeni, da imajo dipolni moment tudi v primeru, ko ni električnega polja.

pri nepolarnih molekulah (vodik, kisik): molekule so simetrične, masna središča pozitivnih in negativnih nabojev sovpadajo, kar pomeni, da ob odsotnosti električnega polja nimajo dipolnega momenta.

kristalni (natrijev klorid): kombinacija dveh podmrež, od katerih je ena pozitivno nabita, druga pa negativno nabita; v odsotnosti električnega polja je skupni dipolni moment enak nič.

Polarizacija- proces prostorskega ločevanja nabojev, pojav vezanih nabojev na površini dielektrika, kar vodi do oslabitve polja znotraj dielektrika.

Načini polarizacije:

1 način - elektrokemijska polarizacija:

Na elektrodah - gibanje kationov in anionov proti njim, nevtralizacija snovi; nastanejo področja pozitivnih in negativnih nabojev. Tok se postopoma zmanjšuje. Hitrost vzpostavitve nevtralizacijskega mehanizma je označena s časom relaksacije - to je čas, v katerem se bo polarizacijski EMF povečal od 0 do maksimuma od trenutka uporabe polja. = 10 -3 -10 -2 s.

Metoda 2 - orientacijska polarizacija:

Na površini dielektrika nastanejo nekompenzirani polarni, tj. pride do polarizacije. Napetost znotraj dielektrika je manjša od zunanje napetosti. Čas za sprostitev: = 10 -13 -10 -7 s. Frekvenca 10 MHz.

3 način - elektronska polarizacija:

Značilnost nepolarnih molekul, ki postanejo dipoli. Čas za sprostitev: = 10 -16 -10 -14 s. Frekvenca 10 8 MHz.

4 smerna - ionska polarizacija:

Dve rešetki (Na in Cl) sta zamaknjeni druga glede na drugo.

Čas za sprostitev:

Metoda 5 - mikrostrukturna polarizacija:

Za biološke strukture je značilno, da se izmenjujejo naelektrene in nenaelektrene plasti. Pride do prerazporeditve ionov na polprepustnih ali ionsko neprepustnih pregradah.

Čas za sprostitev: \u003d 10 -8 -10 -3 s. Frekvenca 1 kHz

Numerične značilnosti stopnje polarizacije:

Elektrika je urejeno gibanje prostih nabojev v snovi ali v vakuumu.

Pogoji za obstoj električnega toka:

prisotnost brezplačnih stroškov

prisotnost električnega polja, tj. sile, ki delujejo na te naboje

Moč toka- vrednost, ki je enaka naboju, ki prehaja skozi kateri koli presek prevodnika na časovno enoto (1 sekunda)

Merjeno v amperih.

n je koncentracija nabojev

q je znesek obremenitve

S - površina prečnega prereza prevodnika

- hitrost usmerjenega gibanja delcev.

Hitrost gibanja nabitih delcev v električnem polju je majhna - 7 * 10 -5 m / s, hitrost širjenja električnega polja je 3 * 10 8 m / s.

gostota toka- količina naboja, ki prehaja v 1 sekundi skozi odsek 1 m 2.

. Merjeno v A / m 2.

- sila, ki deluje na ion s strani električnega polja, je enaka sili trenja

- mobilnost ionov

- hitrost usmerjenega gibanja ionov = mobilnost, poljska jakost

Specifična prevodnost elektrolita je tem večja, čim večja je koncentracija ionov, njihov naboj in mobilnost. Z naraščanjem temperature se poveča mobilnost ionov in električna prevodnost.

Ameriški fizik Benjamin Franklin je na podlagi opazovanj medsebojnega delovanja električno nabitih teles nekatera telesa imenoval pozitivno nabita, druga pa negativno. V skladu s tem in električni naboji klical pozitivno in negativno.

Telesa z enakimi naboji se odbijajo. Telesa z nasprotnimi naboji se privlačijo.

Ta imena nabojev so precej poljubna in njihov edini pomen je, da se lahko telesa, ki imajo električne naboje, privlačijo ali odbijajo.

Znak električnega naboja telesa je določen z interakcijo s pogojnim standardom znaka naboja.

Kot eden od teh standardov je bil vzet naboj ebonitne palice, ki se nosi s krznom. Menijo, da ima ebonitna palica po drgnjenju s krznom vedno negativen naboj.

Če je treba ugotoviti, kakšen znak ima naboj dano telo, ga pripeljemo do ebonitne palice, oblečene s krznom, pritrjene v lahki suspenziji in opazujemo interakcijo. Če se palica odbije, ima telo negativen naboj.

Po odkritju in proučevanju osnovnih delcev se je izkazalo, da negativni naboj vedno ima elementarni del-ca - elektron.

Elektron (iz grščine - jantar) - stabilen osnovni delec z negativnim električnim nabojeme = 1,6021892(46) . 10 -19 C, masa mirovanjajaz =9.1095. 10 -19 kg. Leta 1897 ga je odkril angleški fizik J. J. Thomson.

Kot standard pozitivnega naboja je bil vzet naboj steklene palice, podrgnjene z naravno svilo. Če se palica odbija od naelektrenega telesa, ima to telo pozitiven naboj.

pozitivni naboj vedno ima proton, ki je del atomskega jedra. gradivo s strani

Če uporabimo zgornja pravila za določitev znaka naboja telesa, se moramo zavedati, da je ta odvisen od snovi medsebojno delujočih teles. Torej ima lahko ebonitna palica pozitiven naboj, če jo podrgnemo s krpo iz sintetičnih materialov. Steklena palica bo imela negativen naboj, če jo podrgnemo s krznom. Zato, ko nameravate dobiti negativni naboj na ebonitni palici, morate pri drgnjenju zagotovo uporabiti krzno ali volneno krpo. Enako velja za elektrifikacijo steklene palice, ki jo podrgnemo s krpo iz naravne svile, da dobimo pozitiven naboj. Samo elektron in proton imata vedno in edinstveno negativen oziroma pozitiven naboj.

Ta stran vsebuje gradivo o temah.

« Fizika - 10. razred "

Oglejmo si najprej najenostavnejši primer, ko električno nabita telesa mirujejo.

Imenuje se oddelek elektrodinamike, ki je namenjen preučevanju ravnotežnih pogojev za električno nabita telesa elektrostatika.

Kaj je električni naboj?
Kakšni so stroški?

Z besedami elektrika, električni naboj, električni tok velikokrat ste se srečali in se nanje uspeli navaditi. Toda poskusite odgovoriti na vprašanje: "Kaj je električni naboj?" Koncept sam napolniti- to je glavno primarni koncept, ki se na sedanji stopnji razvoja našega znanja ne reducira na preprostejše, elementarne pojme.

Poskusimo najprej ugotoviti, kaj pomeni trditev: "Dano telo ali delec ima električni naboj."

Vsa telesa so zgrajena iz najmanjših delcev, ki so nedeljivi na enostavnejše in se zato imenujejo osnovno.

Elementarni delci imajo maso in se zaradi tega med seboj privlačijo po zakonu univerzalne gravitacije. Ko se razdalja med delci povečuje, se gravitacijska sila zmanjšuje v obratnem sorazmerju s kvadratom te razdalje. Večina elementarnih delcev, čeprav ne vsi, ima tudi sposobnost medsebojnega delovanja s silo, ki pada tudi obratno sorazmerno s kvadratom razdalje, vendar je ta sila mnogokrat večja od sile gravitacije.

Torej v atomu vodika, ki je shematsko prikazan na sliki 14.1, elektron privlači jedro (proton) s silo, ki je 10 39-krat večja od sile gravitacijske privlačnosti.

Če delci medsebojno delujejo s silami, ki se z naraščajočo razdaljo zmanjšujejo na enak način kot sile univerzalne gravitacije, vendar večkrat presegajo sile gravitacije, potem pravimo, da imajo ti delci električni naboj. Sami delci se imenujejo napolnjena.

Obstajajo delci brez električnega naboja, toda električnega naboja brez delca ni.

Interakcija nabitih delcev se imenuje elektromagnetni.

Električni naboj določa intenzivnost elektromagnetnih interakcij, tako kot masa določa intenzivnost gravitacijskih interakcij.

Električni naboj elementarnega delca ni poseben mehanizem v delcu, ki bi ga lahko odstranili iz delca, ga razgradili na sestavne dele in ponovno sestavili. Prisotnost električnega naboja v elektronu in drugih delcih pomeni le obstoj določenih silnih interakcij med njimi.

V bistvu ne vemo ničesar o naboju, če ne poznamo zakonitosti teh interakcij. Poznavanje zakonov interakcij mora biti vključeno v naše razumevanje naboja. Ti zakoni niso enostavni in jih je nemogoče povedati v nekaj besedah. Zato je nemogoče podati dovolj zadovoljivo jedrnato definicijo pojma električni naboj.

Dva znaka električnih nabojev.

Vsa telesa imajo maso in se zato privlačijo. Naelektrena telesa se lahko privlačijo in odbijajo. To najpomembnejše dejstvo, ki ga poznate, pomeni, da v naravi obstajajo delci z električnimi naboji nasprotnih znakov; Pri nabojih istega predznaka se delci odbijajo, pri različnih predznakih pa privlačijo.

Naboj osnovnih delcev - protoni, ki so del vseh atomskih jeder, imenujemo pozitivni, naboj pa elektroni- negativno. Med pozitivnimi in negativnimi naboji ni notranjih razlik. Če bi bili znaki nabojev delcev obrnjeni, se narava elektromagnetnih interakcij sploh ne bi spremenila.

elementarni naboj.

Poleg elektronov in protonov obstaja še več vrst nabitih osnovnih delcev. Toda samo elektroni in protoni lahko obstajajo neomejeno dolgo v prostem stanju. Ostali nabiti delci živijo manj kot milijoninke sekunde. Nastanejo med trki hitrih osnovnih delcev in, ko obstajajo zanemarljivo malo časa, razpadejo in se spremenijo v druge delce. S temi delci se boste seznanili v 11. razredu.

Delci, ki nimajo električnega naboja, vključujejo nevtron. Njegova masa le malo presega maso protona. Nevtroni so skupaj s protoni del atomskega jedra. Če ima elementarni delec naboj, potem je njegova vrednost strogo določena.

naelektrena telesa Elektromagnetne sile v naravi igrajo veliko vlogo zaradi dejstva, da sestava vseh teles vključuje električno nabite delce. Sestavni deli atomov - jedra in elektroni - imajo električni naboj.

Neposredno delovanje elektromagnetnih sil med telesi ni zaznano, saj so telesa v normalnem stanju električno nevtralna.

Atom katere koli snovi je nevtralen, saj je število elektronov v njem enako številu protonov v jedru. Pozitivno in negativno nabiti delci so med seboj povezani z električnimi silami in tvorijo nevtralne sisteme.

Makroskopsko telo je električno nabito, če vsebuje presežek elementarnih delcev s poljubnim predznakom naboja. Torej je negativni naboj telesa posledica presežka števila elektronov v primerjavi s številom protonov, pozitivni naboj pa je posledica pomanjkanja elektronov.

Da bi dobili električno nabito makroskopsko telo, to je, da bi ga naelektrili, je treba ločiti del negativnega naboja od pozitivnega naboja, ki je povezan z njim, ali prenesti negativni naboj na nevtralno telo.

To je mogoče storiti s trenjem. Če greste z glavnikom po suhih laseh, potem bo majhen del najbolj mobilnih nabitih delcev – elektronov prešel iz las na glavnik in ga naelektril negativno, lasje pa bodo naelektreni pozitivno.

Enakost nabojev med elektriizacijo

S pomočjo izkušenj je mogoče dokazati, da pri naelektrenju s trenjem obe telesi pridobita predznačno nasprotna, a po velikosti enaka naboja.

Vzemimo elektrometer, na katerega palico je pritrjena kovinska krogla z luknjo, in dve plošči na dolgih ročajih: ena iz ebonita in druga iz pleksi stekla. Pri drgnjenju druga ob drugo se plošče naelektrijo.

Postavimo eno od plošč v notranjost krogle, ne da bi se dotaknili njenih sten. Če je plošča pozitivno nabita, bo nekaj elektronov iz igle in palice elektrometra pritegnilo ploščo in se zbralo na notranji površini krogle. V tem primeru bo puščica pozitivno nabita in odrinjena od palice elektrometra (slika 14.2, a).

Če v kroglo vstavimo drugo ploščo, predhodno odstranimo prvo, se elektroni krogle in palice odbijejo od plošče in se kopičijo v presežku na puščici. To bo povzročilo, da bo puščica odstopala od palice, poleg tega za enak kot kot v prvem poskusu.

Ko obe plošči spustimo znotraj krogle, ne bomo našli nobenega odklona puščice (slika 14.2, b). To dokazuje, da so naboji plošč enaki po velikosti in nasprotnega predznaka.

Elektrifikacija teles in njene manifestacije. Med trenjem sintetičnih tkanin pride do znatne elektrifikacije. Pri slačenju srajce iz sintetičnega materiala na suhem zraku lahko slišite značilno prasketanje. Majhne iskre preskakujejo med naelektrenimi področji drgnih površin.

V tiskarnah se med tiskanjem papir naelektri, listi pa se zlepijo. Da se to ne bi zgodilo, se uporabljajo posebne naprave za odvajanje naboja. Vendar pa se včasih uporablja elektrifikacija teles v tesnem stiku, na primer v različnih elektrokopirnih strojih itd.

Zakon o ohranitvi električnega naboja.

Izkušnje z elektrifikacijo plošč dokazujejo, da se pri elektrifikaciji s trenjem obstoječi naboji prerazporedijo med prej nevtralna telesa. Majhen del elektronov prehaja iz enega telesa v drugo. V tem primeru se novi delci ne pojavijo in že obstoječi ne izginejo.

Pri elektrifikaciji teles, zakon o ohranitvi električnega naboja. Ta zakon velja za sistem, ki ne vstopa od zunaj in iz katerega nabiti delci ne izstopajo, tj. izoliran sistem.

V izoliranem sistemu se algebraična vsota nabojev vseh teles ohrani.

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

kjer so q 1, q 2 itd. naboji posameznih naelektrenih teles.

Zakon o ohranitvi naboja ima globok pomen. Če se število nabitih osnovnih delcev ne spremeni, je zakon o ohranitvi naboja očiten. Toda osnovni delci se lahko spreminjajo drug v drugega, se rodijo in izginejo ter dajo življenje novim delcem.

Vendar pa v vseh primerih nabiti delci nastajajo samo v parih z naboji enakega modula in nasprotnega predznaka; nabiti delci tudi izginejo le v parih in se spremenijo v nevtralne. In v vseh teh primerih ostane algebraična vsota nabojev enaka.

Veljavnost zakona o ohranitvi naboja potrjujejo opazovanja ogromnega števila transformacij osnovnih delcev. Ta zakon izraža eno najbolj temeljnih lastnosti električnega naboja. Razlog za ohranitev naboja še ni znan.

Definicija 1

Veliko tistih okoli nas fizikalni pojavi ki se pojavljajo v naravi, ne najdejo razlage v zakonih mehanike, termodinamike in molekularno-kinetične teorije. Takšni pojavi temeljijo na vplivu sil, ki delujejo med telesi na daljavo in neodvisno od mas medsebojno delujočih teles, kar takoj zanika njihovo morebitno gravitacijsko naravo. Te sile se imenujejo elektromagnetni.

Že stari Grki so imeli nekaj pojma o elektromagnetnih silah. Šele ob koncu 18. stoletja pa se je začelo sistematično, kvantitativno preučevanje fizikalnih pojavov, povezanih z elektromagnetno interakcijo teles.

Definicija 2

Zahvaljujoč trdemu delu veliko število znanstveniki v 19. stoletju zaključili oblikovanje povsem nove, harmonične vede, ki se ukvarja s proučevanjem magnetnih in električnih pojavov. Tako se je imenovala ena najpomembnejših vej fizike elektrodinamika.

Ustvarjajo ga električni naboji in tokovi, električni in magnetna polja postal njen glavni predmet študija.

Koncept naboja v elektrodinamiki igra enako vlogo kot gravitacijska masa v Newtonovi mehaniki. Vključen je v temelj odseka in je zanj primarni.

Definicija 3

Električni naboj je fizikalna količina, ki označuje lastnost delcev ali teles, da vstopijo v interakcije elektromagnetnih sil.

Črki q ali Q v elektrodinamiki običajno označujeta električni naboj.

Skupaj nam vsa znana eksperimentalno dokazana dejstva omogočajo naslednje zaključke:

Definicija 4

Obstajata dve vrsti električnih nabojev. Te so konvencionalno poimenovane pozitivne in negativne naboje.

Definicija 5

Naboji se lahko prenašajo (na primer z neposrednim stikom) med telesi. Električni naboj za razliko od telesne mase ni njegova sestavna značilnost. Eno specifično telo v različnih pogojih lahko sprejme drugačen pomen napolniti.

Opredelitev 6

Podobni naboji odbijajo, za razliko od nabojev privlačijo. To dejstvo razkriva še eno temeljno razliko med elektromagnetnimi in gravitacijskimi silami. Gravitacijske sile so vedno sile privlačnosti.

Zakon o ohranitvi električnega naboja je eden temeljnih zakonov narave.

V izoliranem sistemu je algebraična vsota nabojev vseh teles nespremenjena:

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

Opredelitev 7

Zakon o ohranitvi električnega naboja pravi, da v zaprtem sistemu teles ni mogoče opaziti procesov rojstva ali izginotja nabojev samo enega predznaka.

Z vidika moderna znanost, so nosilci naboja osnovni delci. Vsak navaden predmet je sestavljen iz atomov. Sestavljeni so iz pozitivno nabitih protonov, negativno nabitih elektronov in nevtralnih delcev – nevtronov. Protoni in nevtroni so sestavni del atomska jedra, medtem ko elektroni tvorijo elektronsko ovojnico atomov. Po modulu sta električna naboja protona in elektrona enakovredna in enaka vrednosti elementarnega naboja e.

V nevtralnem atomu je število elektronov v lupini in število protonov v jedru enako. Število katerega koli od danih delcev se imenuje atomsko število.

Tak atom lahko izgubi in pridobi enega ali več elektronov. Ko se to zgodi, nevtralni atom postane pozitivno ali negativno nabit ion.

Naboj lahko prehaja iz enega telesa v drugo le po delih, ki vsebujejo celo število elementarnih nabojev. Izkazalo se je, da je električni naboj telesa diskretna količina:

q = ±n e (n = 0, 1, 2, . . .).

Opredelitev 8

Imenujejo se fizične količine, ki lahko sprejmejo izključno diskretne nize vrednosti kvantizirano.

Opredelitev 9

elementarni naboj e predstavlja kvant, to je najmanjši možni delež električnega naboja.

Opredelitev 10

Dejstvo obstoja v sodobni fiziki osnovnih delcev t.i kvarki– delci z delnim nabojem ± 1 3 e in ± 2 3 e .

Vendar pa znanstvenikom nikoli ni uspelo opazovati kvarkov v prostem stanju.

Opredelitev 11

Za odkrivanje in merjenje električnih nabojev v laboratorijske razmere običajno uporabljajo elektrometer - napravo, sestavljeno iz kovinske palice in puščice, ki se lahko vrti okoli vodoravne osi (slika 1. 1. 1).

Konica puščice je izolirana od kovinskega ohišja. V stiku s palico elektrometra naelektreno telo izzove porazdelitev električnih nabojev istega predznaka vzdolž palice in igle. Vpliv električnih odbojnih sil povzroči odklon igle pod določenim kotom, po katerem je mogoče določiti naboj, ki se prenese na palico elektrometra.

Slika 1. 1. 1. Prenos naboja z naelektrenega telesa na elektrometer.

Elektrometer je dokaj surov instrument. Njegova občutljivost ne omogoča raziskovanja sil interakcije nabojev. Leta 1785 je bil prvič odkrit zakon interakcije fiksnih nabojev. Odkritelj je postal francoski fizik Ch.Coulomb. V svojih poskusih je meril privlačne in odbojne sile naelektrenih kroglic s pomočjo naprave, ki jo je sam izdelal za merjenje električnega naboja - torzijske tehtnice (slika 1. 1. 2), ki ima izjemno visoko občutljivost. Nihalo tehtnice se je pod delovanjem sile približno 10 - 9 N ​​zavrtelo za 1 °.

Zamisel o meritvah je temeljila na ugibanju fizika, da ko naelektrena kroglica pride v stik z enako nenaelektreno, se bo obstoječi naboj prve razdelil na enake dele med telesi. Tako je bila pridobljena metoda za dvakratno ali večkratno spremembo naboja krogle.

Opredelitev 12

Coulomb je v svojih poskusih meril interakcijo med kroglicama, katerih dimenzije so bile veliko manjše od razdalje, ki ju ločuje, zaradi česar ju je bilo mogoče zanemariti. Takšna naelektrena telesa imenujemo točkovne dajatve.

Slika 1. 1. 2. Coulombova naprava.

Slika 1. 1. 3. Interakcijske sile enakih in drugačnih nabojev.

Na podlagi številnih poskusov je Coulomb postavil naslednji zakon:

Opredelitev 13

Sile interakcije fiksnih nabojev so premo sorazmerne s produktom nabojnih modulov in obratno sorazmerne s kvadratom razdalje med njimi: F = k q 1 · q 2 r 2 .

Interakcijske sile so odbojne sile z enakimi predznaki nabojev in privlačne sile z različnimi predznaki (slika 1.1.3), upoštevajo pa tudi tretji Newtonov zakon:
F 1 → = - F 2 →.

Opredelitev 14

Coulombova ali elektrostatična interakcija je učinek stacionarnih električnih nabojev drug na drugega.

Opredelitev 15

Imenuje se oddelek elektrodinamike, ki je namenjen preučevanju Coulombove interakcije elektrostatika.

Coulombov zakon lahko uporabimo za naelektrena točkasta telesa. V praksi je popolnoma izpolnjeno, če lahko dimenzije naelektrenih teles zanemarimo zaradi razdalje med predmeti interakcije, ki je veliko večja od njih.

Koeficient sorazmernosti k v Coulombovem zakonu je odvisen od izbire sistema enot.

V mednarodnem sistemu C I je merska enota električnega naboja obesek (K l).

Opredelitev 16

Obesek- to je naboj, ki prehaja v 1 s skozi presek prevodnika pri jakosti toka 1 A. Enota jakosti toka (amperov) v C In je skupaj z enotami dolžine, časa in mase glavna enota merjenja.

Koeficient k v sistemu C In je v večini primerov zapisan kot naslednji izraz:

k = 1 4 π ε 0 .

V katerem je ε 0 \u003d 8, 85 10 - 12 K l 2 N m 2 električna konstanta.

V sistemu C IN je osnovni naboj e:

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

Na podlagi izkušenj lahko rečemo, da se sile Coulombove interakcije držijo principa superpozicije.

1. izrek

Če naelektreno telo deluje istočasno z več nabitimi telesi, potem je nastala sila, ki deluje na to telo, enaka vektorski vsoti sil, ki delujejo na to telo iz vseh drugih nabitih teles.

Slika 1. 1. 4 je na primeru elektrostatične interakcije treh nabitih teles razložen princip superpozicije.

Slika 1. 1. 4. Princip superpozicije elektrostatičnih sil F → = F 21 → + F 31 → ; F 2 → = F 12 → + F 32 →; F 3 → = F 13 → + F 23 →.

Slika 1. 1. 5. Model interakcije točkastih nabojev.

Čeprav je načelo superpozicije temeljni zakon narave, njegova uporaba zahteva nekaj previdnosti, ko se uporablja za interakcijo nabitih teles končne velikosti. Kot primer lahko služita dve prevodni nabiti krogli 1 in 2. Če v tak sistem, sestavljen iz dveh nabitih kroglic, pripeljemo še eno nabito kroglico, se bo interakcija med 1 in 2 spremenila zaradi prerazporeditve nabojev.

Načelo superpozicije predpostavlja, da sile elektrostatične interakcije med dvema telesoma niso odvisne od prisotnosti drugih teles z nabojem, če je porazdelitev nabojev fiksna (dana).

Če v besedilu opazite napako, jo označite in pritisnite Ctrl+Enter

Preprosti poskusi elektrifikacije različnih teles ponazarjajo naslednje točke.

1. Obstajata dve vrsti nabojev: pozitivni (+) in negativni (-). Pozitiven naboj nastane, ko steklo drgnemo ob usnje ali svilo, negativni naboj pa, ko jantar (ali ebonit) drgnemo ob volno.

2. Stroški (oz naelektrena telesa) medsebojno delujejo. Obtožbe z istim imenom odbiti, in za razliko od obtožb se privlačijo.

3. Stanje naelektrenosti se lahko prenaša z enega telesa na drugo, kar je povezano s prenosom električnega naboja. V tem primeru se lahko na telo prenese večji ali manjši naboj, torej ima naboj vrednost. Pri naelektrenju s trenjem dobita obe telesi naboj, eno pozitivno in drugo negativno. Poudariti je treba, da so absolutne vrednosti nabojev teles, naelektrenih s trenjem, enake, kar potrjujejo številne meritve nabojev z elektrometri.

Po odkritju elektrona in proučevanju zgradbe atoma je postalo mogoče pojasniti, zakaj so telesa med trenjem naelektrena (tj. naelektrena). Kot veste, so vse snovi sestavljene iz atomov; atomi pa so sestavljeni iz elementarnih delcev - negativno nabitih elektroni, pozitivno nabit protoni in nevtralni delci - nevtroni. Elektroni in protoni so nosilci elementarnih (minimalnih) električnih nabojev.

elementarni električni naboj ( e) je najmanjši električni naboj, pozitiven ali negativen, enak naboju elektrona:

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

Nabitih osnovnih delcev je veliko in skoraj vsi imajo naboj. +e oz -e, vendar so ti delci zelo kratkotrajni. Živijo manj kot milijoninko sekunde. Samo elektroni in protoni obstajajo v prostem stanju neomejeno dolgo.

Protoni in nevtroni (nukleoni) sestavljajo pozitivno nabito jedro atoma, okoli katerega se vrtijo negativno nabiti elektroni, katerih število je enako številu protonov, tako da je atom kot celota elektrarna.

V normalnih pogojih so telesa, sestavljena iz atomov (ali molekul), električno nevtralna. Vendar pa se lahko v procesu trenja del elektronov, ki so zapustili svoje atome, premakne iz enega telesa v drugo. V tem primeru premiki elektronov ne presegajo velikosti medatomskih razdalj. Če pa se telesa po trenju ločita, potem bosta naelektrena; telo, ki je oddalo nekaj svojih elektronov, bo pozitivno nabito, telo, ki jih je pridobilo, pa negativno.

Torej se telesa naelektrijo, to pomeni, da dobijo električni naboj, ko izgubijo ali pridobijo elektrone. V nekaterih primerih je elektrifikacija posledica gibanja ionov. Novi električni naboji v tem primeru ne nastanejo. Obstaja le delitev razpoložljivih nabojev med naelektrenimi telesi: del negativnih nabojev prehaja iz enega telesa v drugo.

Opredelitev naboja.

Poudariti je treba, da je naboj inherentna lastnost delca. Delec brez naboja si lahko zamislimo, naboja brez delca pa si ne moremo predstavljati.

Nabiti delci se kažejo v privlačnosti (nasprotni naboji) ali v odboju (istoimenski naboji) s silami, ki so za veliko velikostnih redov večje od gravitacijskih. Tako je sila električnega privlaka elektrona na jedro v atomu vodika 10 39-krat večja od sile gravitacijskega privlačenja teh delcev. Interakcija med nabitimi delci se imenuje elektromagnetna interakcija, električni naboj pa določa intenzivnost elektromagnetnih interakcij.

V sodobni fiziki je naboj opredeljen na naslednji način:

Električni naboj- to je fizikalna količina, ki je vir električnega polja, skozi katerega se izvaja interakcija delcev z nabojem.

3.1. Električni naboj

Že v starih časih so ljudje opazili, da kos jantarja, oblečen z volno, začne privlačiti različne majhne predmete: delce prahu, niti in podobno. Sami lahko zlahka vidite, da plastični glavnik, ki ga drgnete ob lase, začne privlačiti majhne koščke papirja. Ta pojav se imenuje elektrizacija, in sile, ki delujejo v tem primeru - električne sile. Obe imeni izvirata iz grške besede electron, kar pomeni jantar.
Pri drgnjenju glavnika ob lase ali ebonitne palice ob volno, predmete polnijo, tvorijo električni naboji. Naelektrena telesa medsebojno delujejo in med njimi nastanejo električne sile.
Ne samo trdne snovi, tudi tekočine in celo pline lahko naelektrimo s trenjem.
Ko so telesa naelektrena, se snovi, ki sestavljajo naelektrena telesa, ne spremenijo v druge snovi. Tako je elektrifikacija fizikalni pojav.
Obstajata dve različni vrsti električnih nabojev. So precej konvencionalno imenovani " pozitivno" polnjenje in " negativno" naboj (in lahko bi jih imenovali "črni" in "beli", "lepi" in "grozni" ali kako drugače).
pozitivno nabit imenujemo telesa, ki delujejo na druge naelektrene predmete tako, kakor steklo, naelektreno s trenjem ob svilo.
negativno nabit imenujejo telesa, ki delujejo na druge naelektrene predmete tako kakor pečatni vosek, naelektren s trenjem ob volno.
Glavna lastnost nabitih teles in delcev: Enako naelektrena telesa in delci se odbijajo, nasprotno naelektrena telesa pa privlačijo. Pri poskusih z viri električnih nabojev se boste seznanili tudi z nekaterimi drugimi lastnostmi teh nabojev: naboji se lahko »pretakajo« z enega predmeta na drugega, se kopičijo, lahko pride do električne razelektritve med naelektrenimi telesi ipd. Te lastnosti boste podrobno preučili pri predmetu fizika.

3.2. Coulombov zakon

Električni naboj ( Q oz q) je fizikalna količina, lahko je več ali manj, zato jo je mogoče izmeriti. Toda fiziki še ne morejo neposredno primerjati nabojev med seboj, zato ne primerjajo samih nabojev, ampak učinek, ki ga imajo naelektrena telesa drug na drugega ali na druga telesa, na primer sila, s katero eno naelektreno telo deluje na drugega .

Sili (F), ki delujeta na vsako od obeh točkovno nabitih teles, sta nasprotno usmerjeni vzdolž premice, ki ta telesa povezuje. Njihove vrednosti so med seboj enake, neposredno sorazmerne s produktom nabojev teh teles (q 1 ) in (q 2 ) in so obratno sorazmerni s kvadratom razdalje (l) med njima.

To razmerje se imenuje "Coulombov zakon" v čast francoskega fizika Charlesa Coulomba (1763-1806), ki ga je odkril leta 1785. Najpomembnejša za kemijo odvisnost Coulombovih sil od predznaka naboja in razdalje med nabitimi telesi je jasno prikazana na sl. 3.1.

Merska enota električnega naboja je obesek (definicija v tečaju fizike). Skozi žarnico z močjo 100 vatov steče naboj 1 C v približno 2 sekundah (pri napetosti 220 V).

3.3. elementarni električni naboj

Do konca 19. stoletja je narava elektrike ostala nejasna, vendar so številni poskusi pripeljali znanstvenike do zaključka, da se velikost električnega naboja ne more nenehno spreminjati. Ugotovljeno je bilo, da obstaja najmanjši, nadalje nedeljiv del električne energije. Naboj tega dela se imenuje "elementarni električni naboj" (označen s črko e). Izkazalo se je 1,6. 10–19 C. To je zelo majhna vrednost - skoraj 3 milijarde milijard elementarnih električnih nabojev gre skozi nit iste žarnice v 1 sekundi.
Vsak naboj je večkratnik elementarnega električnega naboja, zato je priročno uporabiti elementarni električni naboj kot mersko enoto za majhne naboje. torej

1e= 1,6. 10–19 C.

Na prelomu 19. in 20. stoletja so fiziki ugotovili, da je nosilec elementarnega negativnega električnega naboja mikrodelec, t.i. elektron(Joseph John Thomson, 1897). Nosilec elementarnega pozitivnega naboja je mikrodelec, imenovan proton- je bil odkrit malo kasneje (Ernest Rutherford, 1919). Hkrati je bilo dokazano, da sta pozitivni in negativni elementarni električni naboj enaka v absolutni vrednosti

Tako je osnovni električni naboj naboj protona.
Z drugimi značilnostmi elektrona in protona se boste seznanili v naslednjem poglavju.

Kljub temu, da sestava fizičnih teles vključuje nabite delce, so v normalnem stanju telesa nenaelektrena oz. električno nevtralen. Številni kompleksni delci, kot so atomi ali molekule, so tudi električno nevtralni. Skupni naboj takega delca ali takega telesa se izkaže za enak nič, ker sta število elektronov in število protonov, ki sestavljajo delec ali telo, enaka.

Telesa ali delci postanejo nabiti, če so električni naboji ločeni: na enem telesu (ali delcu) je presežek električnih nabojev enega znaka, na drugem pa drugega. V kemijskih pojavih se električni naboj katerega koli predznaka (pozitivnega ali negativnega) ne more niti pojaviti niti izginiti, saj se nosilci elementarnih električnih nabojev samo enega predznaka ne morejo pojaviti ali izginiti.

POZITIVNI ELEKTRIČNI NABOJ, NEGATIVNI ELEKTRIČNI NABOJ, GLAVNA LASTNOST NABIJENIH TELES IN DELCEV, COULOMBOV ZAKON, ELEMENTARNI ELEKTRIČNI NABOJ
1. Kako se svila naelektri, če jo drgnemo ob steklo? Kaj pa volna, če jo drgnemo ob pečatni vosek?
2. Koliko je elementarnih električnih nabojev v 1 obesku?
3. Določite silo, s katero se privlačita dve telesi z nabojem +2 C in -3 C, ki se nahajata na razdalji 0,15 m drug od drugega.
4. Dve telesi z nabojem +0,2 C in -0,2 C sta med seboj oddaljeni 1 cm. Določite silo, s katero se privlačijo.
5. S kakšno silo se odbijata delca z enakim nabojem +3 e, in se nahaja na razdalji 2 E? Vrednost konstante v enačbi Coulombovega zakona k= 9. 10 9 N. m 2 / Cl 2.
6. S kakšno silo privlači elektron proton, če je razdalja med njima 0,53 E? Kaj pa proton na elektron?
7. Dve enako in enako naelektreni krogli sta povezani z nitjo, ki ne prevaja naboja. Sredina niti je fiksno pritrjena. Nariši, kako se bodo te krogle nahajale v prostoru v pogojih, ko lahko silo gravitacije zanemarimo.
8. Kako se bodo pod enakimi pogoji v prostoru nahajale tri enake kroglice, privezane z nitmi enake dolžine na eno oporo? In štiri?
Poskusi privlačnosti in odbijanja naelektrenih teles.