Реферат з електротехніки

Виконав: Агафонов Роман

Лузький агропромисловий коледж

Дати коротке, задовільне у всіх відносинах визначення заряду неможливо. Ми звикли знаходити зрозумілі нам пояснення складних утворень і процесів на кшталт атома, рідких кристалів, розподілу молекул за швидкостями тощо. А ось найголовніші, фундаментальні поняття, нерозчленовані на простіші, позбавлені, за даними науки на сьогоднішній день, будь-якого внутрішнього механізму, коротко задовільним чином вже не пояснити. Особливо, якщо об'єкти безпосередньо не сприймаються нашими органами почуттів. Саме таких фундаментальних понять належить електричний заряд.

Спробуємо спочатку з'ясувати не що таке електричний заряд, а що ховається за твердженням дане тіло або частка мають електричний заряд.

Ви знаєте, що всі тіла побудовані з найдрібніших, неподільних на простіші (наскільки зараз науці відомо) частинок, які тому називають елементарними. Всі елементарні частинки мають масу і завдяки цьому притягуються одна до одної. Відповідно до закону всесвітнього тяжіння сила тяжіння порівняно повільно зменшується зі збільшенням відстані між ними: назад пропорційно квадрату відстані. Крім того, більшість елементарних частинок, хоча і не всі, мають здатність взаємодіяти один з одним з силою, яка також зменшується пропорційно квадрату відстані, але ця сила у величезне число, раз перевищує силу тяжіння. Так, в атомі водню, схематично зображеному на малюнку 1, електрон притягується до ядра (протону) з силою, що у 1039 разів перевищує силу гравітаційного тяжіння.

Якщо частинки взаємодіють один з одним із силами, які повільно зменшуються зі збільшенням відстані та у багато разів перевищують сили всесвітнього тяжіння, то кажуть, що ці частинки мають електричний заряд. Самі частки називаються зарядженими. Бувають частинки без електричного заряду, але немає електричного заряду без частинки.

Взаємодії між зарядженими частинками звуться електромагнітних. Коли ми говоримо, що електрони та протони електрично заряджені, то це означає, що вони здатні до взаємодій певного типу (електромагнітним), і нічого більше. Відсутність заряду у частинок означає, що подібних взаємодій вона не виявляє. Електричний зарядвизначає інтенсивність електромагнітних взаємодій, подібно до того як маса визначає інтенсивність гравітаційних взаємодій. Електричний заряд – друга (після маси) найважливіша характеристика елементарних частинок, що визначає їхню поведінку в навколишньому світі.

Таким чином

Електричний заряд - це фізична скалярна величина, що характеризує властивість частинок або тіл вступати в електромагнітні силові взаємодії.

Електричний заряд позначається літерами q чи Q.

Подібно до того, як у механіці часто використовується поняття матеріальної точки, що дозволяє значно спростити вирішення багатьох завдань, при вивченні взаємодії зарядів ефективним виявляється уявлення про точковий заряд. Точковий заряд – це таке заряджене тіло, розміри якого значно менші за відстань від цього тіла до точки спостереження та інших заряджених тіл. Зокрема, якщо говорять про взаємодію двох точкових зарядів, то тим самим припускають, що відстань між двома зарядженими тілами, що розглядаються, значно більша за їх лінійні розміри.

Електричний заряд елементарної частинки - це не особливий "механізм" у частинці, який можна було б зняти з неї, розкласти на складові та знову зібрати. Наявність електричного заряду в електрона та інших частинок означає існування певних взаємодій між ними.

У природі є частинки із зарядами протилежних знаків. Заряд протона називається позитивним, а електрона негативним. Позитивний знак заряду в частки не означає, звичайно, наявності у неї особливих переваг. Введення зарядів двох знаків просто висловлює той факт, що заряджені частинки можуть притягуватися, так і відштовхуватися. При однакових знаках заряду частинки відштовхуються, а різних – притягуються.

Жодного пояснення причин існування двох видів електричних зарядів зараз немає. У всякому разі, жодних важливих відмінностей між позитивними та негативними зарядами не виявляється. Якби знаки електричних зарядів частинок змінилися протилежні, то характер електромагнітних взаємодій у природі не змінився б.

Позитивні та негативні заряди дуже добре компенсовані у Всесвіті. І якщо Всесвіт кінцевий, то його повний електричний заряд, ймовірно, дорівнює нулю.

Найбільш чудовим є те, що електричний заряд всіх елементарних частинок строго однаковий за модулем. Існує мінімальний заряд, званий елементарним, який має всі заряджені елементарні частинки. Заряд може бути позитивним, як у протона, або негативним, як у електрона, але модуль заряду завжди один і той же.

Відокремити частину заряду, наприклад, у електрона неможливо. Це, мабуть, найдивовижніше. Ніяка сучасна теорія неспроможна пояснити, чому заряди всіх частинок однакові, і може обчислити значення мінімального електричного заряду. Воно визначається експериментально з допомогою різних дослідів.

У 60-ті рр., після того як число новостворених елементарних частинок стало загрозливо зростати, була висунута гіпотеза про те, що всі сильно взаємодіючі частинки є складовими. Більше фундаментальні частки були названі кварками. Вражаючим виявилося те, що кварки повинні мати дробовий електричний заряд: 1/3 та 2/3 елементарного заряду. Для побудови протонів та нейтронів достатньо двох сортів кварків. А максимальне їхнє число, мабуть, не перевищує шести.

Створити макроскопічний стандарт одиниці електронного заряду, подібний стандарту довжини - метру, нереально через неминучий витік заряду. Звичайно було б за одиницю прийняти заряд електрона (це зараз і зроблено в атомній фізиці). Але за часів Кулона ще було відомо про існування у природі електрона. Крім того, заряд електрона занадто малий, і тому його важко використовувати як зразок.

Існує два роду електричних зарядів, умовно названих позитивними та негативними. Позитивно зарядженими називають тіла, які діють інші заряджені тіла як і, як скло, наэлектризованное тертям про шовк. Негативно зарядженими називають тіла, які діють так само, як ебоніт, наелектризований тертям вовну. Вибір назви "позитивний" для зарядів, що виникають на склі, і "негативний" для зарядів на ебоніті зовсім випадковий.

Заряди можуть передаватися (наприклад, при безпосередньому контакті) від тіла до іншого. На відміну від маси тіла, електричний заряд не є невід'ємною характеристикою даного тіла. Те саме тіло в різних умовах може мати різний заряд.

Одноіменні заряди відштовхуються, різноіменні – притягуються. У цьому вся також проявляється принципове відмінність електромагнітних сил від гравітаційних. Гравітаційні сили завжди є силами тяжіння.

Важливою властивістю електричного заряду є дискретність. Це означає, що існує деякий найменший, універсальний, далі не ділимий елементарний заряд, так що q заряд будь-якого тіла є кратним цьому елементарному заряду :

,

де N – ціле число, е – величина елементарного заряду. Згідно з сучасними уявленнями, цей заряд чисельно дорівнює заряду електрона e = 1,6 10-19 Кл. Оскільки величина елементарного заряду дуже мала, то більшість спостерігаються і використовуваних практично заряджених тіл число N дуже велике, і дискретний характер зміни заряду не виявляється. Тому вважають, що у звичайних умовах електричний заряд тіл змінюється практично безперервно.

Закон збереження електричного заряду.

Усередині замкнутої системи за будь-яких взаємодій алгебраїчна сумаелектричних зарядів залишається постійною:

.

Ізольованою (або замкнутою) системою ми називатимемо систему тіл, в яку не вводяться ззовні і не виводяться з неї електричні заряди.

Ніде ніколи в природі не виникає і не зникає електричний заряд одного знака. Поява позитивного електричного заряду завжди супроводжується появою рівного за модулем негативного заряду. Ні позитивний, ні негативний заряд що неспроможні зникнути окремо, можуть лише взаємно нейтралізувати одне одного, якщо рівні по модулю.

Так елементарні частинки здатні перетворюватися одна на одну. Але при народженні заряджених частинок спостерігається поява пари частинок із зарядами протилежного знака. Може спостерігатися і одночасне народження кількох пар. Зникають заряджені частинки, перетворюючись на нейтральні, теж лише парами. Всі ці факти не залишають сумнівів у строгому виконанні закону збереження електричного заряду.

Причина збереження електричного заряду досі невідома.

Електризація тіла

Макроскопічні тіла, як правило, електрично нейтральні. Нейтральний атом будь-якої речовини, оскільки число електронів у ньому дорівнює числу протонів у ядрі. Позитивно та негативно заряджені частинки пов'язані один з одним електричними силами та утворюють нейтральні системи.

Тіло великих розмірів заряджено у тому випадку, коли воно містить надмірну кількість елементарних частинок з одним знаком заряду. Негативний заряд тіла зумовлений надлишком електронів у порівнянні з протонами, а позитивний заряд – їх недоліком.

Для того, щоб отримати електрично заряджене макроскопічне тіло або, як кажуть, наелектризувати його, потрібно відокремити частину негативного заряду від позитивного, пов'язаного з ним.

Найпростіше це зробити за допомогою тертя. Якщо провести гребінцем по волоссю, то невелика частина найбільш рухливих заряджених частинок – електронів – перейде з волосся на гребінець і зарядить її негативно, а волосся зарядиться позитивно. При електризації тертям обидва тіла набувають протилежних за знаком, але однакові за модулем заряди.

Наелектризувати тіла за допомогою тертя дуже просто. А ось пояснити, як це відбувається, виявилося дуже непростим завданням.

1 версія. При електризації тіл важливий тісний контакт між ними. Електричні сили утримують електрони усередині тіла. Але для різних речовин ці сили є різними. При тісному контакті невелика частина електронів тієї речовини, яка має зв'язок електронів з тілом відносно слабка, переходить на інше тіло. Переміщення електронів у своїй не перевищують розмірів міжатомних відстаней (10-8 див). Але якщо тіла роз'єднати, то обидва вони виявляться зарядженими. Так як поверхні тіл ніколи не бувають ідеально гладкими, то необхідний переходу тісний контакт між тілами встановлюється тільки на невеликих ділянках поверхонь. При терті тіл одна про одну кількість ділянок з тісним контактом збільшується, і тим самим збільшується загальна кількість заряджених частинок, що переходять від одного тіла до іншого. Але не ясно, як у таких не провідних струмах речовинах (ізоляторах), як ебоніт, плексиглас та інші, можуть переміщатися електрони. Адже вони пов'язані в нейтральних молекулах.

2 версія. На прикладі іонного кристала LiF (ізолятора) це пояснення так. При утворенні кристала виникають різного родудефекти, зокрема вакансії – незаповнені місця у вузлах кристалічних ґрат. Якщо кількість вакансій для позитивних іонів літію та негативних – фтору неоднакова, то кристал виявиться при утворенні зарядженим за обсягом. Але заряд загалом неспроможна зберігатися у кристала довго. У повітрі завжди є деяка кількість іонів, і кристал їх витягуватиме з повітря доти, поки заряд кристала не нейтралізується шаром іонів на його поверхні. У різних ізоляторів об'ємні заряди різні, тому різні заряди поверхневих шарів іонів. При терті поверхневі шари іонів перемішуються, і при роз'єднанні ізоляторів кожен із них виявляється зарядженим.

А чи можуть електризуватися при терті два однакових ізолятори, наприклад, ті ж кристали LiF? Якщо вони мають однакові власні об'ємні заряди, то ні. Але вони можуть і різні власні заряди, якщо умови кристалізації були різними і з'явилося різне число вакансій. Як показав досвід, електризація при терті однакових кристалів рубіну, бурштину та ін дійсно може відбуватися. Однак наведене пояснення навряд чи правильно у всіх випадках. Якщо тіла складаються, наприклад, із молекулярних кристалів, то поява вакансій вони мають призводити до заряджання тіла.

Ще один спосіб електризації тіл – вплив на них різних випромінювань (зокрема, ультрафіолетового, рентгенівського та γ-випромінювання). Цей спосіб найбільш ефективний для електризації металів, коли під дією випромінювань з поверхні металу вибиваються електрони, і провідник набуває позитивного заряду.

Електризація через вплив. Провідник заряджається не тільки при контакті із зарядженим тілом, але й у тому випадку, коли воно знаходиться на певній відстані. Досліджуємо докладніше це явище. Підвісимо на ізольованому провіднику легкі аркуші паперу (рис. 3). Якщо спочатку провідник не заряджений, листки будуть у невідхиленому положенні. Наблизимо тепер до провідника ізольована металева куля, сильно заряджена, наприклад, за допомогою скляної палички. Ми побачимо, що листки, підвішені в кінці тіла, в точках а і b, відхиляються, хоча заряджене тіло і не стосується провідника. Провідник зарядився через вплив, через що і саме явище отримало назву «електризація через вплив» або «електрична індукція». Заряди, отримані за допомогою електричної індукції називають наведеними або індукованими. Листки, підвішені біля середини тіла, у точках а' і b', не відхиляються. Значить, індуковані заряди виникають тільки на кінцях тіла, а середина його залишається нейтральною або незарядженою. Підносячи до листків, підвішеним у точках а і b, наелектризовану скляну паличку, легко переконатися, що листки в точці b відштовхуються від неї, а листки в точці а притягуються. Це означає, що у віддаленому кінці провідника виникає заряд тієї самої знака, як і кулі, але в прилеглих частинах виникають заряди іншого знака. Видаливши заряджену кулю, ми побачимо, що листки опустяться. Явище протікає аналогічно, якщо повторити досвід, зарядивши кулю негативно (наприклад, з допомогою сургуча).

З погляду електронної теорії ці явища легко пояснюються існуванням у провіднику вільних електронів. При піднесенні до провідника позитивного заряду електрони до нього притягуються та накопичуються на найближчому кінці провідника. На ньому виявляється кілька «надлишкових» електронів, і ця частина провідника заряджається негативно. На віддаленому кінці утворюється нестача електронів і, отже, надлишок позитивних іонів: тут утворюється позитивний заряд.

При піднесенні до провідника негативно зарядженого тіла електрони накопичуються на віддаленому кінці, але в ближньому кінці виходить надлишок позитивних іонів. Після видалення заряду, що викликає переміщення електронів, вони знову розподіляються по провіднику, тому всі ділянки його виявляються, як і раніше, незарядженими.

Переміщення зарядів по провіднику та їх накопичення на кінцях його продовжуватимуться доти, доки вплив надлишкових зарядів, що утворилися на кінцях провідника, не врівноважить ті електричні сили, що виходять з кулі, під впливом яких відбувається перерозподіл електронів. Відсутність заряду у середини тіла показує, що тут урівноважені сили, що виходять із кулі, і сили, з якими діють на вільні електрони надлишкові заряди, що накопичилися в кінці провідника.

Індуковані заряди можна розділити, якщо у присутності зарядженого тіла розділити провідник на частини. Такий досвід зображено на рис. 4. У цьому випадку електрони, що змістилися, вже не можуть повернутися назад після видалення зарядженої кулі; оскільки між обома частинами провідника знаходиться діелектрик (повітря). Надлишкові електрони розподіляються по всій лівій частині; недолік електронів у точці b частково поповнюється з області точки b', так що кожна частина провідника виявляється зарядженою: ліва – зарядом, по протилежному знаку заряду кулі, права – зарядом, однойменним із зарядом кулі. Розходяться не тільки листки в точках а і b, але й листки, що залишалися раніше, нерухомими в точках а' і b'.

Буров Л.І., Стрільченя В.М. Фізика від А до Я: учням, абітурієнтам, репетиторам. - Мн.: Парадокс, 2000. - 560 с.

Мякішев Г.Я. Фізика: Електродинаміка. 10-11 кл.: навч. Для поглибленого вивченняфізики/Г.Я. Мякішев, А.З. Синяков, Б.А. Слобідськ. - М.Ж Дрофа, 2005. - 476 с.

Фізика: Навч. посібник для 10 кл. шк. і класів з поглибл. вивч. фізики / О. Ф. Кабардін, В. А. Орлов, Е. Є. Евенчик та ін; За ред. А. А. Пінського. - 2-ге вид. - М.: Просвітництво, 1995. - 415 с.

Елементарний підручник фізики: Навчальний посібник. 3 т./ Під ред. Г.С. Ландсберга: Т. 2. Електрика та магнетизм. - М: ФІЗМАТЛІТ, 2003. - 480 с.

Якщо потерти скляну паличку об аркуш паперу, то паличка набуде здатності притягувати до себе листочки «султана», пушинки, тонкі цівки води. При розчісуванні сухого волосся пластикової гребінцем волосся притягується до гребінця. У цих простих прикладах ми зустрічаємося з проявом сил, які отримали назву електричних.

Тіла або частинки, що діють на навколишні предмети електричними силами, називають зарядженими або наелектризованими. Наприклад, згадана вище скляна паличка після того, як її потерти об аркуш паперу, стає наелектризованою.

Частинки мають електричний заряд, якщо вони взаємодіють один з одним за допомогою електричних сил. Електричні сили зменшуються із збільшенням відстані між частинками. Електричні сили багато разів перевищують сили всесвітнього тяжіння.

Електричний заряд - це фізична величина, яка визначає інтенсивність електромагнітних взаємодій.

Електромагнітні взаємодії – це взаємодії між зарядженими частинками чи тілами.

Електричні заряди поділяються на позитивні та негативні. Позитивним зарядом мають стабільні елементарні частинки – протони та позитрони, а також іони атомів металів тощо. Стабільними носіями негативного заряду є електрон та антипротон.

Існують електрично незаряджені частинки, тобто нейтральні: нейтрон, нейтрино. У електричних взаємодіях ці частинки не беруть участь, оскільки їхній електричний заряд дорівнює нулю. Бувають частинки без заряду, але електричний заряд не існує без частки.

На склі, потертому об шовк, виникають позитивні заряди. На ебоніті, потертому про хутро – негативні заряди. Частки відштовхуються при зарядах однакових знаків (одноіменні заряди), а при різних знаках (різноіменні заряди) частки притягуються.

Усі тіла складаються з атомів. Атоми складаються з позитивно зарядженого атомного ядра та негативно заряджених електронів, що рухаються довкола ядра атома. Атомне ядро ​​складається з позитивно заряджених протонів та нейтральних частинок – нейтронів. Заряди в атомі розподілені таким чином, що атом загалом є нейтральним, тобто сума позитивних та негативних зарядів в атомі дорівнює нулю.

Електрони та протони входять до складу будь-якої речовини та є найменшими стійкими елементарними частинками. Ці частки можуть необмежено довго існувати у вільному стані. Електричний заряд електрона та протона називається елементарним зарядом.

Елементарний заряд – це мінімальний заряд, який має всі заряджені елементарні частинки. Електричний заряд протона дорівнює по абсолютній величині заряду електрона:

е = 1,6021892 (46) * 10-19 Кл

Величина будь-якого заряду кратна абсолютною величиною елементарному заряду, тобто заряду електрона. Електрон у перекладі з грецької electron – бурштин, протон – від грецької protos – перший, нейтрон від латинського neutrum – ні те, ні інше.

Прості досліди з електризації різних тіл ілюструють такі положення.

1. Існують заряди двох видів: позитивні (+) та негативні (-). Позитивний заряд виникає при терті скла про шкіру або шовк, а негативний - при терті бурштину (або ебоніту) про шерсть.

2. Заряди (або заряджені тіла) взаємодіють один з одним. однойменні зарядивідштовхуються, а різноіменні зарядипритягуються.

3. Стан електризації можна передати від одного тіла до іншого, що пов'язане із перенесенням електричного заряду. У цьому тілу можна передати більший чи менший заряд, т. е. заряд має величину. При електризації тертям заряд набувають обидва тіла, причому одне - позитивний, а інше - негативний. Слід наголосити, що абсолютні величини зарядів наелектризованих тертям тіл рівні, що підтверджується численними вимірами зарядів за допомогою електрометрів.

Пояснити, чому тіла електризуються (тобто заряджаються) при терті, стало можливим після відкриття електрона та вивчення будови атома. Як відомо, усі речовини складаються з атомів; атоми, своєю чергою, складаються з елементарних частинок - негативно заряджених електронівпозитивно заряджених протонівта нейтральних частинок - нейтронів. Електрони та протони є носіями елементарних (мінімальних) електричних зарядів.

Елементарний електричний заряд ( е) - це найменший електричний заряд, позитивний або негативний, рівний величині заряду електрона:

е = 1,6021892(46) · 10 -19 Кл.

Заряджених елементарних частинок існує багато, і майже всі вони мають заряд +eабо -eОднак ці частинки дуже недовговічні. Вони живуть менше мільйонної частки секунди. Тільки електрони та протони існують у вільному стані необмежено довго.

Протони і нейтрони (нуклони) складають позитивно заряджене ядро ​​атома, навколо якого обертаються негативно заряджені електрони, число яких дорівнює числу протонів, тому атом в цілому електроцентралей.

У звичайних умовах тіла, що складаються з атомів (або молекул), електрично нейтральні. Однак у процесі тертя частина електронів, що залишили свої атоми, може перейти з одного тіла до іншого. Переміщення електронів при цьому не перевищують розмірів міжатомних відстаней. Але якщо тіла після тертя роз'єднати, вони виявляться зарядженими; тіло, яке віддало частину своїх електронів, буде заряджено позитивно, а тіло, яке їх набуло, - негативне.

Отже, тіла електризуються, тобто отримують електричний заряд, коли вони втрачають або набувають електрони. У деяких випадках електризація обумовлена ​​переміщенням іонів. Нові електричні заряди у своїй не виникають. Відбувається лише поділ наявних зарядів між тілами, що електризуються: частина негативних зарядів переходить з одного тіла на інше.

Визначення заряду.

Слід особливо наголосити, що заряд є невід'ємною властивістю частинки. Частку без заряду уявити можна, але заряд без частки - не можна.

Проявляють себе заряджені частинки в тяжінні (різноіменні заряди) або у відштовхуванні (одноіменні заряди) з силами, що на багато порядків перевищують гравітаційні. Так, сила електричного тяжіння електрона до ядра в атомі водню в 10 39 разів більша за силу гравітаційного тяжіння цих частинок. Взаємодія між зарядженими частинками називається електромагнітною взаємодією, А електричний заряд визначає інтенсивність електромагнітних взаємодій.

У сучасній фізиці так визначають заряд:

Електричний заряд- це фізична величина, що є джерелом електричного поля , за допомогою якого здійснюється взаємодія частинок, що мають заряд.

Електричний заряд- фізична величина, що характеризує здатність тіл вступати в електромагнітні взаємодії. Вимірюється у Кулонах.

Елементарний електричний заряд- Мінімальний заряд, який мають елементарні частинки (заряд протона та електрона).

Тіло має заряд, значить має зайві або відсутні електрони. Такий заряд позначається q=ne. (Він дорівнює числу елементарних зарядів).

Наелектризувати тіло- Створити надлишок і нестачу електронів. Способи: електризація тертямі електризація дотиком.

Точковий зоряд - заряд тіла, яке можна прийняти за матеріальну точку.

Пробний заряд() – точковий, малий за величиною заряд, обов'язково позитивний – використовується на дослідження електричного поля.

Закон збереження заряду:в ізольованій системі алгебраїчна сума зарядів всіх тіл зберігається постійною за будь-яких взаємодій цих тіл між собою.

Закон Кулону:сили взаємодії двох точкових зарядів пропорційні добутку цих зарядів, обернено пропорційні квадрату відстані між ними, залежать від властивостей середовища та спрямовані вздовж прямої, що з'єднує їх центри.

, де

Ф/м, Кл 2/нм2 - діелектр. пост. вакууму

- відносить. діелектрична проникність (>1)

- абсолютне діелектричне проникнення. середи

Електричне поле- Матеріальне середовище, через яке відбувається взаємодія електричних зарядів.

Властивості електричного поля:

Характеристики електричного поля:

Напруженість(E) - Векторна величина , рівна силі , що діє на одиничний пробний заряд, поміщений в дану точку.

Вимірюється Н/Кл.

Напрям- Таке ж, як і у чинної сили.

Напруженість не залежитьні з сили, ні з величини пробного заряду.

Суперпозиція електричних полів: напруженість поля, створеного кількома зарядами, дорівнює векторній сумі напруженостей полів кожного заряду:

Графічноелектронне поле зображують за допомогою ліній напруги.

Лінія напруженості- Лінія, дотична до якої в кожній точці збігається з напрямом вектора напруженості.

Властивості ліній напруженості: вони не перетинаються, через кожну точку можна провести лише одну лінію; вони не замкнуті, виходять із позитивного заряду і входять у негативний, або розсіюються в нескінченність.

Види полів:

Однорідне електричне поле– поле, вектор напруженості якого у кожній точці однаковий за модулем та напрямом.

Неоднорідне електричне поле– поле, вектор напруженості якого в кожній точці неоднаковий за модулем та напрямом.

Постійне електричне поле– Вектор напруженості не змінюється.

Непостійне електричне поле– Вектор напруженості змінюється.

Робота електричного поля з переміщення заряду.

, де F-сила, S-переміщення, - Кут між FіS.

Для однорідного поля: сила постійна.

Робота залежить від форми траєкторії; робота з переміщення замкнутої траєкторії дорівнює нулю.

Для неоднорідного поля:

Потенціал електричного поля- Відношення роботи, яке здійснює поле, переміщуючи пробний електричний заряд у нескінченність, до величини цього заряду.

-потенціал- Енергетична характеристика поля. Вимірюється у Вольтах

Різниця потенціалів:

, то

, значить

-градієнт потенціалу.

Для однорідного поля: різниця потенціалів – напруга:

. Вимірюється у Вольтах, прилади – вольтметри.

Електроємність– здатність тіл накопичувати електричний заряд; відношення заряду до потенціалу, яке для даного провідника завжди є постійно.

.

Не залежить від заряду та залежить від потенціалу. Але залежить від розмірів та форми провідника; від діелектричних властивостей середовища.

, деr-розмір,

- проникність середовища довкола тіла.

Електроємність збільшується, якщо поруч є будь-які тіла – провідники або діелектрики.

Конденсатор- Пристрій для накопичення заряду. Електроємність:

Плоский конденсатор- Дві металеві пластини, між якими знаходиться діелектрик. Електроємність плоского конденсатора:

, де S - площа пластин, d - відстань між пластинами.

Енергія зарядженого конденсаторарівна роботі, яку здійснює електричне поле при перенесенні заряду з однієї пластини на іншу.

Перенесення малого заряду

, напруга зміниться на

, відбудеться робота

. Так як

, а З = const,

. Тоді

. Інтегруємо:

Енергія електричного поля:

, де V = Sl-обсяг, займаний електричним полем

Для неоднорідного поля:

.

Об'ємна щільність електричного поля:

. Вимірюється Дж / м 3 .

Електричний диполь- Система, що складається з двох рівних, але протилежних за знаком точкових електричних зарядів, розташованих на певній відстані один від одного (плечо диполя -l).

Основна характеристика диполя – дипольний момент- Вектор, рівний добутку заряду на плече диполя, спрямований від негативного заряду до позитивного. Позначається

. Вимірюється у Кулон-метрах.

Диполь у однорідному електричному полі.

На кожен із зарядів диполя діють сили:

і

. Ці сили протилежно спрямовані та створюють момент пари сил – крутний момент: де

М - крутний момент F - сили, що діють на диполь

d- плече силl- плече диполя

p-дипольний моментE-напруженість

- кут міжрі Еq-заряд

Під дією моменту, що обертає, диполь повернеться і встановиться за напрямом ліній напруженості. Вектори pі Е будуть паралельні та односпрямовані.

Диполь у неоднорідному електричному полі.

Обертальний момент є, значить диполь повернеться. Але сили будуть нерівні, і диполь рухатиметься туди, де сила більша.

-градієнт напруженості. Чим вищий градієнт напруженості, тим вища бічна сила, яка стягує диполь. Диполь орієнтується вздовж силових ліній.

Власне поле диполя.

Але. Тоді:

.

Нехай диполь знаходиться в точці О, яке плече мало. Тоді:

.

Формула отримана з урахуванням:

Таким чином, різниця потенціалів залежить від синуса половинного кута, під яким видно точки диполя, і проекції дипольного моменту на пряму, що з'єднують ці точки.

Діелектрики в електричному полі.

Діелектрик- Речовина, що не має вільних зарядів, а значить і не проводить електричний струм. Однак насправді ж провідність існує, але вона мізерно мала.

Класи діелектриків:

з полярними молекулами (вода, нітробензол): молекули не симетричні, центри мас позитивних і негативних зарядів не збігаються, а значить, вони мають дипольний момент навіть у випадку, коли електричного поля немає.

з неполярними молекулами (водень, кисень): молекули симетричні, центри мас позитивних і негативних зарядів збігаються, отже, вони мають дипольного моменту за відсутності електричного поля.

кристалічні (хлорид натрію): сукупність двох грат, одна з яких заряджений позитивно, а інша – негативно; без електричного поля сумарний дипольний момент дорівнює нулю.

Поляризація- Процес просторового поділу зарядів, появи пов'язаних зарядів на поверхні діелектрика, що призводить до ослаблення поля всередині діелектрика.

Способи поляризації:

1 спосіб - електрохімічна поляризація:

На електродах – рух до них катіонів та аніонів, нейтралізація речовин; утворюються області позитивних та негативних зарядів. Струм поступово зменшується. Швидкість встановлення механізму нейтралізації характеризується часом релаксації – це час, протягом якого ЕРС поляризації збільшиться від 0 до максимуму з моменту накладання поля. = 10 -3 -10 -2 с.

2 спосіб - орієнтаційна поляризація:

На поверхні діелектрика утворюються полярні некомпенсовані, тобто. відбувається явище поляризації. Напруженість усередині діелектрика менша від зовнішньої напруженості. Час релаксації: = 10 -13 -10 -7 с. Частота 10 МГц.

3 спосіб - електронна поляризація:

Характерна неполярних молекул, які стають диполями. Час релаксації: = 10 -16 -10 -14 с. Частота 108 МГц.

4 спосіб - іонна поляризація:

Дві ґрати (NaіCl) зміщуються щодо один одного.

Час релаксації:

5 спосіб - мікроструктурна поляризація:

Характерний для біологічних структур, коли чергуються заряджені та незаряджені шари. Відбувається перерозподіл іонів на напівпроникних чи непроникних для іонів перегородках.

Час релаксації: =10 -8 -10 -3 с. Частота 1 КГц

Числові характеристики ступеня поляризації:

Електричний струм– це впорядкований рух вільних зарядів у речовині чи вакуумі.

Умови існування електричного струму:

наявність вільних зарядів

наявність електричного поля, тобто. сил, які діють ці заряди

Сила струму– величина, що дорівнює заряду, що проходить через будь-який поперечний переріз провідника за одиницю часу (1 секунду)

Вимірюється в Амперах.

n-концентрація зарядів

q– величина заряду

S– площа поперечного перерізу провідника

- Швидкість спрямованого руху частинок.

Швидкість руху заряджених частинок у електричному полі невелика – 7*10 -5 м/с, швидкість розповсюдження електричного поля 3*10 8 м/с.

Щільність струму- Величина заряду, що проходить за 1 секунду через перетин в 1 м 2 .

. Вимірюється А/м 2 .

- сила, що діє на іон з боку ел поля, дорівнює силі тертя

- рухливість іонів

- швидкість спрямованого руху іонів = рухливість, напруженість поля

Питома провідність електроліту тим більше, що більше концентрація іонів, їх заряд і рухливість. При підвищенні температури зростає рухливість іонів та збільшується електропровідність.

Виходячи зі спостережень за взаємодією електрично заряджених тіл, американський фізик Бенджамін Франклін назвав одні тіла зарядженими позитивно, а інші - негативно. Відповідно до цього і електричні зарядиназивають позитивнимиі негативними.

Тіла з однойменними зарядами відштовхуються. Тіла з різноіменними зарядами притягуються.

Ці назви зарядів цілком умовні, і єдине їх значення полягає в тому, що тіла, що мають електричні заряди, можуть або притягуватися, або відштовхуватися.

Знак електричного заряду тіла визначають за взаємодією з умовним еталоном знака заряду.

Як один з таких еталонів узятий заряд ебонітової палички, потертою хутром. Вважається, що ебонітова паличка після натирання хутром завжди має від'ємний заряд.

Якщо необхідно визначити, який знак заряду даного тіла, його підносять до закріпленої в легкому підвісі ебонітовій паличці, потертою хутром, і спостерігають взаємодію. Якщо паличка відштовхується, то тіло має від'ємний заряд.

Після відкриття та вивчення елементарних частинок з'ясувалося, що від'ємний зарядзавжди має елементарна частина - електрон.

Електрон (Від грец. - Бурштин) - стабільна елементарна частинка з негативним електричним зарядомe = 1,6021892 (46). 10 -19 Кл, масою спокоюm e =9,1095. 10-19 кг. Відкритий 1897 р. англійським фізиком Дж. Дж. Томсоном.

Як зразок позитивного заряду взято заряд скляної палички, потертою натуральним шовком. Якщо паличка відштовхується від наелектризованого тіла, то це тіло має позитивний заряд.

Позитивний зарядзавжди має протон,який входить до складу атомного ядра. Матеріал із сайту

Користуючись вищевикладеними правилами визначення знака заряду тіла, пам'ятаймо, що він залежить від речовини взаємодіючих тіл. Так, ебонітова паличка може мати позитивний заряд, якщо її потерти тканиною із синтетичних матеріалів. Скляна паличка матиме негативний заряд, якщо її потерти хутром. Тому, плануючи отримати від'ємний заряд на ебонітовій паличці, слід обов'язково користуватися при натиранні хутром або вовняною тканиною. Це стосується і електризації скляної палички, яку для отримання позитивного заряду натирають тканиною з натурального шовку. Лише електрон і протон завжди і однозначно мають негативний і позитивний заряди відповідно.

На цій сторінці матеріал на теми.

« Фізика – 10 клас»

Спочатку розглянемо найпростіший випадок, коли електрично заряджені тіла перебувають у спокої.

Розділ електродинаміки, присвячений вивченню умов рівноваги електрично заряджених тіл, називають електростатикою.

Що таке електричний заряд?
Які є заряди?

Зі словами електрика, електричний заряд, електричний струмви зустрічалися багато разів і встигли звикнути до них. Але спробуйте відповісти на запитання: Що таке електричний заряд? Саме поняття заряд- це основне, первинне поняття, яке не зводиться на сучасному рівні розвитку наших знань до будь-яких більш простих, елементарних понять.

Спробуємо спочатку з'ясувати, що розуміють під твердженням: «Це тіло чи частка має електричний заряд».

Всі тіла побудовані з найдрібніших частинок, які неподільні на простіші і тому називаються елементарними.

Елементарні частинки мають масу і завдяки цьому притягуються одна до одної згідно із законом всесвітнього тяжіння. Зі збільшенням відстані між частинками сила тяжіння зменшується пропорційно квадрату цієї відстані. Більшість елементарних частинок, хоч і не всі, крім того, мають здатність взаємодіяти один з одним з силою, яка також зменшується пропорційно квадрату відстані, але ця сила в багато разів перевищує силу тяжіння.

Так, в атомі водню, зображеному схематично на малюнку 14.1, електрон притягується до ядра (протону) з силою, що в 10 39 разів перевищує силу гравітаційного тяжіння.

Якщо частинки взаємодіють один з одним із силами, які зменшуються зі збільшенням відстані так само, як і сили всесвітнього тяжіння, але перевищують сили тяжіння у багато разів, то кажуть, що ці частинки мають електричний заряд. Самі частки називаються зарядженими.

Бувають частинки без електричного заряду, але немає електричного заряду без частинки.

Взаємодія заряджених частинок називається електромагнітним.

Електричний заряд визначає інтенсивність електромагнітних взаємодій, як маса визначає інтенсивність гравітаційних взаємодій.

Електричний заряд елементарної частинки - це не особливий механізм у частинці, який можна було б зняти з неї, розкласти на складові та знову зібрати. Наявність електричного заряду в електрона та інших частинок означає існування певних силових взаємодій між ними.

Ми по суті нічого не знаємо про заряд, якщо не знаємо законів цих взаємодій. Знання законів взаємодій має входити до наших уявлень про заряд. Ці закони непрості, і викласти їх кількома словами неможливо. Тому не можна дати досить задовільне коротке визначення поняття електричний заряд.

Два електричних зарядів знак.

Всі тіла мають масу і тому притягуються один до одного. Заряджені тіла можуть як притягувати, так і відштовхувати один одного. Цей найважливіший факт, знайомий вам, означає, що у природі є частинки з електричними зарядами протилежних знаків; у разі зарядів однакових знаків частинки відштовхуються, а разі різних притягуються.

Заряд елементарних частинок протонів, що входять до складу всіх атомних ядер, називають позитивним, а заряд електронів- Негативним. Між позитивними та негативними зарядами внутрішніх відмінностей немає. Якби знаки зарядів частинок помінялися місцями, то від цього характер електромагнітних взаємодій анітрохи не змінився б.

Елементарний заряд.

Окрім електронів та протонів, є ще кілька типів заряджених елементарних частинок. Але тільки електрони та протони можуть необмежено довго існувати у вільному стані. Інші ж заряджені частинки живуть менше мільйонних часток секунди. Вони народжуються при зіткненнях швидких елементарних частинок і, проіснувавши мізерний час, розпадаються, перетворюючись на інші частки. З цими частинками ви познайомитеся у 11 класі.

До частинок, які не мають електричного заряду, відноситься нейтрон. Його маса лише трохи перевищує масу протона. Нейтрони разом із протонами входять до складу атомного ядра. Якщо елементарна частка має заряд, його значення суворо визначено.

Заряджені тілаЕлектромагнітні сили у природі грають величезну роль завдяки тому, що до складу всіх тіл входять електрично заряджені частинки. Складові частини атомів - ядра і електрони - мають електричний заряд.

Безпосередньо дія електромагнітних сил між тілами не виявляється, тому що тіла у звичайному стані електрично нейтральні.

Атом будь-якої речовини нейтральний, оскільки число електронів у ньому дорівнює числу протонів в ядрі. Позитивно та негативно заряджені частинки пов'язані один з одним електричними силами та утворюють нейтральні системи.

Макроскопічне тіло заряджено електрично в тому випадку, якщо воно містить надмірну кількість елементарних частинок з одним знаком заряду. Так, негативний заряд тіла обумовлений надлишком числа електронів у порівнянні з числом протонів, а позитивний – недоліком електронів.

Щоб отримати електрично заряджене макроскопічне тіло, т. е. наелектризувати його, потрібно відокремити частину негативного заряду від пов'язаного з ним позитивного або перенести на нейтральне тіло негативний заряд.

Це можна зробити за допомогою тертя. Якщо провести гребінцем по сухому волоссю, то невелика частина рухомих заряджених частинок - електронів перейде з волосся на гребінець і зарядить її негативно, а волосся зарядиться позитивно.

Рівність зарядів під час електризації

За допомогою досвіду можна довести, що при електризації тертям обидва тіла набувають зарядів, протилежних за знаком, але однакових за модулем.

Візьмемо електрометр, на стрижні якого укріплено металеву сферу з отвором, і дві пластини на довгих рукоятках: одна з ебоніту, а інша з плексигласу. При терті одна про одну пластини електризуються.

Внесемо одну з пластин всередину сфери, не торкаючись її стін. Якщо пластина заряджена позитивно, частина електронів зі стрілки і стрижня електрометра притягнеться до пластини і збереться на внутрішній поверхні сфери. Стрілка при цьому позитивно зарядиться і відштовхнеться від стрижня електрометра (рис. 14.2, а).

Якщо внести всередину сфери іншу пластину, вийнявши заздалегідь першу, то електрони сфери і стрижня будуть відштовхуватися від пластини і зберуться надміру на стрілці. Це викликає відхилення стрілки від стрижня, причому у той самий кут, що у першому досвіді.

Опустивши обидві пластини всередину сфери, ми взагалі не виявимо відхилення стрілки (рис. 14.2 б). Це доводить, що заряди пластин дорівнюють за модулем і протилежні за знаком.

Електризація тіл та її прояви.Значна електризація відбувається при терті синтетичних тканин. Знімаючи з себе сорочку із синтетичного матеріалу в сухому повітрі, можна чути характерне потріскування. Між зарядженими ділянками поверхонь, що труться, проскакують маленькі іскорки.

У друкарнях відбувається електризація паперу під час друку, і листи злипаються. Щоб це не відбувалося, використовують спеціальні пристрої для стікання заряду. Однак електризація тіл при тісному контакті іноді використовується, наприклад, у різних електрокопіювальних установках та ін.

Закон збереження електричного заряду.

Досвід з електризацією пластин доводить, що з електризації тертям відбувається перерозподіл наявних зарядів між тілами, колись нейтральними. Невелика частина електронів переходить із одного тіла на інше. При цьому нові частки не виникають, а раніше не зникають.

При електризації тіл виконується закон збереження електричного заряду. Цей закон справедливий для системи, в яку не входять ззовні і з якої не виходять назовні заряджені частинки, тобто для ізольованої системи.

В ізольованій системі алгебраїчна сума зарядів усіх тіл зберігається.

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

де q 1 q 2 і т. д. - заряди окремих заряджених тіл.

Закон збереження заряду має глибоке значення. Якщо кількість заряджених елементарних частинок не змінюється, виконання закону збереження заряду очевидно. Але елементарні частинки можуть перетворюватися одна на одну, народжуватися і зникати, даючи життя новим часткам.

Однак у всіх випадках заряджені частинки народжуються лише парами з однаковими за модулем та протилежними за знаком зарядами; зникають заряджені частинки теж лише парами, перетворюючись на нейтральні. І в усіх цих випадках алгебраїчна сума зарядів залишається однією і тією ж.

Справедливість закону збереження заряду підтверджують спостереження величезним числом перетворень елементарних частинок. Цей закон виражає одне з найбільш фундаментальних властивостей електричного заряду. Причина збереження заряду досі невідома.

Визначення 1

Багато хто з навколишніх нас фізичних явищ, що відбуваються в природі, не знаходять пояснення в законах механіки, термодинаміки та молекулярно-кінетичної теорії. Такі явища ґрунтуються на впливі сил, що діють між тілами на відстані і незалежних від мас тіл, що взаємодіють, що відразу заперечує їх можливу гравітаційну природу. Дані сили називаються електромагнітними.

Ще древні греки мали деяке уявлення про електромагнітні сили. Проте лише наприкінці XVIII століття розпочалося систематичне, кількісне вивчення фізичних явищ, пов'язаних із електромагнітною взаємодією тіл.

Визначення 2

Завдяки копіткій праці великої кількостівчених у ХІХ столітті було завершено створення абсолютно нової стрункої науки, що займається вивченням магнітних та електричних явищ. Так один із найважливіших розділів фізики, отримав назву електродинаміки.

Створювані електричними зарядами та струмами електричні та магнітні полястали її основними об'єктами вивчення.

Поняття заряду в електродинаміці грає таку ж роль, як і гравітаційна маса в механіці Ньютона. Воно входить у фундамент розділу та є для нього первинним.

Визначення 3

Електричний зарядє фізичною величиною, яка характеризує властивість частинок або тіл вступати в електромагнітні силові взаємодії.

Літерами q або Q в електродинаміці зазвичай позначають електричний заряд.

У комплексі всі відомі експериментально доведені факти дають можливість зробити такі выводы:

Визначення 4

Існує два роди електричних зарядів. Це, умовно названі, позитивні та негативні заряди.

Визначення 5

Заряди можуть переходити (наприклад, за безпосереднього контакту) між тілами. Електричний заряд, на відміну маси тіла, перестав бути його невід'ємною характеристикою. Одне конкретне тіло у різних умовах може приймати різне значеннязаряду.

Визначення 6

Одноіменні заряди відштовхуються, різноіменні – притягуються. У цьому факті проявляється ще одна важлива відмінність електромагнітних і гравітаційних сил. Гравітаційні сили завжди є сили тяжіння.

Закон збереження електричного заряду одна із фундаментальних законів природи.

В ізольованій системі алгебраїчна сума зарядів усіх тіл незмінна:

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

Визначення 7

Закон збереження електричного заряду стверджує, що у замкнутій системі тіл що неспроможні спостерігатися процеси народження чи зникнення зарядів лише однієї знака.

З точки зору сучасної науки, носіями зарядів є елементарні частки. Будь-який типовий об'єкт складається з атомів. До їх складу входять несучі позитивний заряд протони, негативно заряджені електрони та нейтральні частки – нейтрони. Протони і нейтрони є складовоюатомних ядер, електрони утворюють електронну оболонку атомів. За модулем електричні заряди протона і електрона еквівалентні і дорівнюють значенню елементарного заряду e.

У нейтральному атомі кількість електронів в оболонці та протонів в ядрі однакова. Число будь-яких зі списку наведених частинок називається атомним номером.

Подібний атом може як втратити, так і придбати один або кілька електронів. Коли таке відбувається, нейтральний атом стає позитивно чи негативно зарядженим іоном.

Заряд може переходити від одного тіла до іншого лише порціями, у яких міститься ціла кількість елементарних зарядів. Виходить, що електричний заряд тіла є дискретною величиною:

q = ± n e (n = 0, 1, 2, . . .).

Визначення 8

Фізичні величини, що мають можливість набувати виключно дискретного ряду значень, називаються квантованими.

Визначення 9

Елементарний заряд e є квант, тобто найменшу можливу порцію електричного заряду.

Визначення 10

Дещо вибивається з усього вищесказаного факт існування у сучасній фізиці елементарних частинок так званих кварків- Часток з дробовим зарядом ± 1 3 e і ± 2 3 e .

Проте спостерігати кварки у вільному стані вченим не довелося.

Визначення 11

Для виявлення та вимірювання електричних зарядів у лабораторних умовзазвичай використовують електрометр – прилад, що складається з металевого стрижня та стрілки, яка може обертатися навколо горизонтальної осі (рис. 1.1.1).

Стрижень із стрілкою ізольований від металевого корпусу. Торкаючись стрижня електрометра, заряджене тіло провокує розподіл по стрижню і стрілці електричних зарядів одного знака. Вплив сил електричного відштовхування стає причиною відхилення стрілки на деякий кут, яким можна визначити заряд, переданий стрижню електрометра.

Малюнок 1 . 1 . 1 . Перенесення заряду із зарядженого тіла на електрометр.

Електрометр досить грубий прилад. Його чутливість дозволяє досліджувати сили взаємодії зарядів. У 1785 році було вперше відкрито закон взаємодії нерухомих зарядів. Першовідкривачем став французький фізик Ш. Кулон. У своїх дослідах він вимірював сили тяжіння та відштовхування заряджених кульок за допомогою сконструйованого ним приладу для вимірювання електричного заряду – крутильних ваг (рис. 1. 1. 2), що мають вкрай високу чутливість. Коромисло терезів поверталося на 1° під дією сили приблизно 10 – 9 Н.

Ідея вимірів ґрунтувалася на здогаді фізика про те, що при контакті зарядженої кульки з такою самою незарядженою, наявний заряд першого розділиться на рівні частини між тілами. Так був отриманий спосіб змінювати заряд кульки в два або більше разів.

Визначення 12

Кулон у своїх дослідах вимірював взаємодію між кульками, розміри яких значно поступалися відстані, що розділяла їх, через що ними можна було знехтувати. Подібні заряджені тіла прийнято називати точковими зарядами.

Малюнок 1 . 1 . 2 . Прилад Кулону.

Малюнок 1 . 1 . 3 . Сили взаємодії однойменних та різноіменних зарядів.

Ґрунтуючись на безлічі дослідів, Кулон встановив наступний закон:

Визначення 13

Сили взаємодії нерухомих зарядів прямо пропорційні добутку модулів зарядів і обернено пропорційні квадрату відстані між ними: F = k q 1 · q 2 r 2 .

Сили взаємодії є силами відштовхування за однакових знаків зарядів і силами тяжіння за різних знаків (рис. 1 . 1 . 3), і навіть підпорядковуються третьому закону Ньютона:
F 1 → = - F 2 → .

Визначення 14

Кулонівським або електростатичною взаємодією називають вплив один на одного нерухомих електричних зарядів.

Визначення 15

Розділ електродинаміки, присвячений вивченню кулонівської взаємодії, називається електростатикою.

Закон Кулона може бути застосований по відношенню до точкових заряджених тіл. На практиці, він повною мірою виконується в тому випадку, якщо розмірами заряджених тіл можна знехтувати через відстань між об'єктами взаємодії, що значно перевищує їх.

Коефіцієнт пропорційності k законі Кулона залежить від вибору системи одиниць.

У Міжнародній системі С І одиницю виміру електричного заряду представляє кулон (Кл).

Визначення 16

Кулон- Це заряд, що проходить за 1 с через поперечний переріз провідника при силі струму 1 А. Одиниця сили струму (ампер) в С є поряд з одиницями довжини, часу і маси основною одиницею вимірювання.

Коефіцієнт k у системі І в більшості випадків записується у вигляді наступного виразу:

k = 1 4 π ε 0 .

У якому ε 0 = 8 , 85 · 10 - 12 К л 2 Н · м 2 є постійною електричною.

У системі І елементарний заряд e дорівнює:

e = 1, 602177 · 10 - 19 К л ≈ 1, 6 · 10 - 19 К л.

Маючи досвід, можна сказати, що сили кулонівської взаємодії підпорядковуються принципу суперпозиції.

Теорема 1

Якщо заряджене тіло взаємодіє одночасно з декількома зарядженими тілами, то результуюча сила, що діє дане тіло, дорівнює векторній сумі сил, що діють на це тіло з боку інших заряджених тіл.

На малюнку 1 . 1 . 4 на прикладі електростатичної взаємодії трьох заряджених тіл пояснюється принцип суперпозиції.

Малюнок 1 . 1 . 4 . Принцип суперпозиції електростатичних сил F → = F 21 → + F 31 →; F 2 → = F 12 → + F 32 →; F 3 → = F 13 → + F 23 → .

Малюнок 1 . 1 . 5 . Модель взаємодії точкових набоїв.

Незважаючи на те, що принцип суперпозиції є фундаментальним законом природи, його використання вимагає певної обережності, коли він застосовується до взаємодії заряджених тіл кінцевих розмірів. Прикладом таких можуть послужити два провідні заряджені кулі 1 і 2 . Якщо до подібної системи, що складається з двох куль, що володіють зарядом, піднести ще одну заряджену кулю, то взаємодія між 1 і 2 зазнає змін через перерозподіл зарядів.

Принцип суперпозиції передбачає, що сили електростатичної взаємодії між двома будь-якими тілами не залежать від наявності інших тіл, що володіють зарядом, за умови, що розподіл зарядів фіксовано (задано).

Якщо ви помітили помилку в тексті, будь ласка, виділіть її та натисніть Ctrl+Enter

Прості досліди з електризації різних тіл ілюструють такі положення.

1. Існують заряди двох видів: позитивні (+) та негативні (-). Позитивний заряд виникає при терті скла про шкіру або шовк, а негативний - при терті бурштину (або ебоніту) вовну.

2. Заряди (або заряджені тіла) взаємодіють один з одним. однойменні зарядивідштовхуються, а різноіменні зарядипритягуються.

3. Стан електризації можна передати від одного тіла до іншого, що пов'язане із перенесенням електричного заряду. У цьому тілу можна передати більший чи менший заряд, т. е. заряд має величину. При електризації тертям заряд набувають обидва тіла, причому одне - позитивний, а інше - негативний. Слід наголосити, що абсолютні величини зарядів наелектризованих тертям тіл рівні, що підтверджується численними вимірами зарядів за допомогою електрометрів.

Пояснити, чому тіла електризуються (тобто заряджаються) при терті, стало можливим після відкриття електрона та вивчення будови атома. Як відомо, усі речовини складаються з атомів; атоми, у свою чергу, складаються з елементарних частинок - негативно заряджених. електронівпозитивно заряджених протонівта нейтральних частинок - нейтронів. Електрони та протони є носіями елементарних (мінімальних) електричних зарядів.

Елементарний електричний заряд ( е) - Це найменший електричний заряд, позитивний або негативний, рівний величині заряду електрона:

е = 1,6021892(46) · 10 -19 Кл.

Заряджених елементарних частинок існує багато, і майже всі вони мають заряд +eабо -eОднак ці частинки дуже недовговічні. Вони живуть менше мільйонної частки секунди. Тільки електрони та протони існують у вільному стані необмежено довго.

Протони і нейтрони (нуклони) становлять позитивно заряджене ядро ​​атома, навколо якого обертаються негативно заряджені електрони, число яких дорівнює числу протонів, тому атом в цілому електроцентралей.

У звичайних умовах тіла, що складаються з атомів (або молекул), електрично нейтральні. Однак у процесі тертя частина електронів, що залишили свої атоми, може перейти з одного тіла до іншого. Переміщення електронів при цьому не перевищують розмірів міжатомних відстаней. Але якщо тіла після тертя роз'єднати, вони виявляться зарядженими; тіло, яке віддало частину своїх електронів, буде заряджено позитивно, а тіло, яке їх набуло, — негативне.

Отже, тіла електризуються, тобто отримують електричний заряд, коли вони втрачають або набувають електрони. У деяких випадках електризація обумовлена ​​переміщенням іонів. Нові електричні заряди у своїй не виникають. Відбувається лише поділ наявних зарядів між тілами, що електризуються: частина негативних зарядів переходить з одного тіла на інше.

Визначення заряду.

Слід особливо наголосити, що заряд є невід'ємною властивістю частинки. Частку без заряду уявити можна, але заряд без частки — не можна.

Проявляють себе заряджені частинки в тяжінні (різноіменні заряди) або у відштовхуванні (одноіменні заряди) з силами, що на багато порядків перевищують гравітаційні. Так, сила електричного тяжіння електрона до ядра в атомі водню в 10 39 разів більша за силу гравітаційного тяжіння цих частинок. Взаємодія між зарядженими частинками називається електромагнітною взаємодією, А електричний заряд визначає інтенсивність електромагнітних взаємодій.

У сучасній фізиці так визначають заряд:

Електричний заряд- Це фізична величина, що є джерелом електричного поля, за допомогою якого здійснюється взаємодія частинок, що володіють зарядом.

3.1. Електричний заряд

Ще в давнину люди звернули увагу на те, що потертий шерстю шматочок бурштину починає притягувати до себе різні дрібні предмети: порошинки, ниточки тощо. Ви можете легко переконатися, що пластмасова гребінець, потерта об волосся, починає притягувати невеликі шматочки паперу. Це явище називається електризацією, а сили, що діють при цьому – електричними силами. Обидві назви походять від грецького слова "електрон", що означає "бурштин".
При терті гребінця про волосся або ебонітової палички об шерсть предмети заряджаються, на них утворюються електричні заряди. Заряджені тіла взаємодіють одне з одним і з-поміж них виникають електричні сили.
Електризуватися тертям можуть не лише тверді тіла, а й рідини, і навіть гази.
При електризації тіл речовини, з яких складаються тіла, що електризуються, в інші речовини не перетворюються. Отже, електризація – фізичне явище.
Існує два різні роди електричних зарядів. Цілком умовно вони названі " позитивним"зарядом та " негативним"зарядом (а можна було б назвати їх "чорний" і "білий", або "прекрасний" і "жахливий", або якось інакше).
Позитивно заряджениминазивають тіла, які діють інші заряджені предмети як і, як скло, наэлектризованное тертям про шовк.
Негативно заряджениминазивають тіла, які діють інші заряджені предмети як і, як сургуч, наэлектризованный тертям вовну.
Основна властивість заряджених тіл та частинок: однойменно заряджені тіла та частки відштовхуються, а різноіменно заряджені – притягуються. У дослідах із джерелами електричних зарядів ви познайомитеся і з деякими іншими властивостями цих зарядів: заряди можуть "перетікати" з одного предмета на інший, накопичуватися між зарядженими тілами може відбуватися електричний розряд і так далі. Докладно ці властивості ви вивчите у курсі фізики.

3.2. Закон Кулону

Електричний заряд ( Qабо q) – фізична величина, він може бути більшим або меншим, і, отже, його можна вимірювати. Але безпосередньо порівнювати заряди одна з одною фізики поки що не можуть, тому порівнюють не самі заряди, а дія, яку заряджені тіла чинять один на одного, або на інші тіла, наприклад, силу з якою одне заряджене тіло діє на інше.

Сили (F), що діють на кожне з двох точкових заряджених тіл, протилежно спрямовані вздовж прямої, що з'єднує ці тіла. Їхні величини рівні між собою, прямо пропорційні добутку зарядів цих тіл (q 1 ) та (q 2 ) і обернено пропорційні квадрату відстані (l) між ними.

Це співвідношення називається " закон Кулону " на честь французького фізика Шарля Кулона (1763-1806), що відкрив його в 1785 р.. Найважливіша для хімії залежність кулонівських сил від знака заряду та відстані між зарядженими тілами наочно показана на рис. 3.1.

Одиниця вимірів електричного заряду – кулон (визначення у курсі фізики). Заряд величиною в 1 Кл протікає через електричну лампочку потужністю 100 Вт приблизно за 2 секунди (при напрузі 220 В).

3.3. Елементарний електричний заряд

До кінця XIX століття природа електрики залишалася неясною, але численні експерименти привели вчених до висновку, що величина електричного заряду не може змінюватися безперервно. Було встановлено, що є найменша, далі неподільна порція електрики. Заряд цієї порції отримав назву "елементарний електричний заряд" (позначається буквою е). Він дорівнював 1,6 . 10-19 Кл. Це дуже маленька величина – через нитку тієї ж таки електричної лампочки за 1 секунду проходить майже 3 мільярди мільярдів елементарних електричних зарядів.
Будь-який заряд є величиною, кратною елементарному електричному заряду, тому елементарний електричний заряд зручно використовувати як одиниця вимірів малих зарядів. Таким чином,

1е= 1,6. 10-19 Кл.

На рубежі XIX і XX століть фізики зрозуміли, що носієм елементарного негативного електричного заряду є мікрочастка, що отримала назву електрон(Джозеф Джон Томсон, 1897). Носій елементарного позитивного заряду – мікрочастинка під назвою протон- Виявили трохи пізніше (Ернест Резерфорд, 1919 р.). Тоді ж було доведено, що позитивний та негативний елементарні електричні заряди рівні за абсолютною величиною

Таким чином, елементарний електричний заряд це заряд протона.
З іншими характеристиками електрона та протона ви познайомитеся у наступному розділі.

Незважаючи на те, що до складу фізичних тіл входять заряджені частинки, у звичайному стані тіла незаряджені, або електронейтральні. Також електронейтральні та багато складних частинок, наприклад, атоми або молекули. Сумарний заряд такої частки або такого тіла виявляється рівним нулю тому, що число електронів і протонів, що входять до складу частки або тіла, рівні.

Тіла або частинки стають зарядженими, якщо електричні заряди поділяються: на одному тілі (або частинці) виявляється надлишок електричних зарядів одного знака, а на іншому – іншого. У хімічних явищах електричний заряд якогось одного знака (позитивний чи негативний) неспроможна ні з'явитися, ні зникнути, оскільки можуть з'явитися чи зникнути носії елементарних електричних зарядів лише однієї знака.

ПОЗИТИВНИЙ ЕЛЕКТРИЧНИЙ ЗАРЯД, НЕГАТИВНИЙ ЕЛЕКТРИЧНИЙ ЗАРЯД, ОСНОВНЕ ВЛАСТИВОСТІ ЗАРЯЖЕНИХ ТІЛ І ЧАСТОК, ЗАКОН КУЛОНУ, ЕЛЕМЕНТАРНИЙ ЕЛЕКТРИЧНИЙ ЗАРЯД
1.Як заряджається шовк при терті про скло? А вовна при терті про сургуч?
2. Яка кількість елементарних електричних зарядів становить 1 кулон?
3.Визначте силу, з якою притягуються одне до одного два тіла із зарядами +2 Кл та –3 Кл, що знаходяться один від одного на відстані 0,15 м.
4. Два тіла з зарядами +0,2 Кл і -0,2 Кл знаходяться на відстані 1 см один від одного. Визначте силу, з якою вони притягуються.
5.З якою силою відштовхуються одна від одної дві частинки, що несуть однаковий заряд, рівний +3 е, і що знаходяться на відстані 2 Е? Значення константи у рівнянні закону Кулону k= 9. 109 Н. м 2 /Кл 2 .
6. З якою силою притягується електрон до протону, якщо відстань між ними 0,53? А протон до електрона?
7.Два однойменно і однаково заряджені кульки з'єднані ниткою, що не проводить заряди. Середина нитки нерухомо закріплена. Намалюйте, як розташуються у просторі ці кульки за умов, коли силою тяжкості можна знехтувати.
8.Як у цих умовах будуть розташовані в просторі три таких же кульки, прив'язаних однаковими по довжині нитками до однієї опори? А чотири?
Досліди щодо тяжіння та відштовхування заряджених тіл.