История открытий
Еще в древности было замечено, что натерев янтарь по шелку, камень начнет притягивать к себе светлые предметы. Уильям Гильберт изучал эти эксперименты до конца 16 века. В отчете о проделанной работе объекты, которые могут притягивать другие тела, он определил наэлектризованными.
Последующие открытия в 1729 году были сделаны Чарльзом Дюфеем, наблюдая за поведением тел, когда они трутся о разные вещества. Таким образом, он продемонстрировал существование двух типов наполнителей: первый образуется, когда смола трется о шерсть, а второй — когда стекло трется о шелк. Логично, что он назвал их «смолистыми» и «стекловидными». Бенджамин Франклин также исследовал эту проблему и ввел концепции положительного и отрицательного заряда. На иллюстрации — Б. Франклин ловит молнию.
Чарльз Кулон, портрет которого показан ниже, открыл закон, который позже был назван законом Кулона. Он описал взаимодействие двух точечных зарядов. Он также смог измерить стоимость и придумал для нее торсионные весы, о которых мы поговорим позже.
И уже в начале прошлого века Роберт Милликен в результате экспериментов доказал свою осмотрительность. Это означает, что заряд каждого тела равен целому кратному элементарному электрическому заряду, а электрон элементарен.
Электризация
Чтобы понять, как тело получает электрический заряд и сохраняет его, нам сначала нужно знать протон и электрон. Протон ленив и неуклюж — он определенно никуда не двинется, если мы не переместим весь атом.
Но электрон — мобильный тип, и ему ничего не стоит перебегать от одного атома к другому.
Мы поговорим о двух типах электрификации: контактной электрификации и электрификации трением.
- Контактная электризация — это процесс, в котором мы берем два проводящих тела: отрицательно заряженные и нейтральные.
Свободные электроны переходят из пустого тела в нейтральное. И если мы возьмем положительно заряженное тело вместо отрицательного, свободные электроны отойдут от нейтрального тела, чтобы уравновесить заряды.
- Электрификация трением — это когда мы берем два незаряженных тела и три из них друг против друга.
Электроны переходят от одного тела к другому и, в отличие от электризации, при контакте заряжаются зарядами противоположного знака и одинакового модуля.
То есть при контакте заряд распределяется одного знака и поровну. Как будто вы делитесь конфетами, которые у вас в изобилии, с другом.
В случае трения, наоборот, заряды тел будут разных знаков, но тоже в одинаковом количестве. Например, у вас одинаковая сумма денег в рублях и долларах, а у меня аналогичная ситуация с такой же суммой. Вы решили лететь в США, но мне не нужны доллары. Чтобы не идти в банк, можно просто поменять. Тогда у вас будут только доллары, а у меня будут только рубли. Главное — согласовать курс 🙂
Решим пару задач по этой теме.
Проблема первая
Из какого материала может быть изготовлен стержень, соединяющий показанные на рисунке электрометры?
Стакан
Б. Эбонит
Решение:
Он может состоять из проводника или диэлектрика. Проводник пропускает заряды через себя, а диэлектрик — нет. Если мы посмотрим на показания электрометров, то увидим, что они разные.
Напомним, что при контакте заряды одинаковы по размеру (электрометр делит конфеты с другим). При этом никто ни с кем не поделился, значит, стержень не проходит — это диэлектрик. И стекло, и эбонит диэлектрики. Так что подходят оба варианта!
Проблема вторая
В процессе трения о шелк стеклянная линейка приобретала положительный заряд. Как изменилось количество заряженных частиц на линейке и шелке при отсутствии обмена при трении?
А) количество протонов на стеклянной линейке
Б) количество электронов на шелке
Решение:
Вспомните, как мы характеризовали протон: он ленив и неподвижен! Это означает, что количество протонов на стеклянной линейке или на шелке просто не может измениться. Мы не разбиваем кусок линейки вместе с составляющими ее атомами. Но электроны движутся охотно. Мы знаем, что линейка приобрела положительный заряд. Оказывается, электроны ускользнули от нее на шелк. В результате количество электронов на шелке увеличилось.
В чем выражается взаимодействие
Электрические заряды притягивают и отталкивают друг друга. Это похоже на взаимодействие магнитов. Всем известно, что если вы потрете линейкой или шариковой ручкой по волосам, они наэлектризованы. Если в таком состоянии поднести его к бумаге, он прилипнет к наэлектризованному пластику. При электрификации происходит перераспределение зарядов, так что их больше на одной части тела и меньше — на другой.
По той же причине, когда вы дотрагиваетесь до шерстяного свитера или других людей, вас иногда бьет током.
Вывод: электрические заряды одного знака стремятся друг к другу, а разными — отталкиваются. Когда они касаются друг друга, они текут от тела к телу.
Поляризация диэлектрика
Возьмем из экзамена два, на первый взгляд, одинаковых задания.
Упражнение 1
Если точечный положительный заряд переносится на разряженный металлический шар, не касаясь его, отрицательный заряд появится на стороне шара, ближайшей к заряду. Как называется это явление?
Мы только что поняли: это электростатическая индукция.
Задача 2
Если точечный положительный заряд переносится на незаряженную диэлектрическую сферу, не касаясь ее, отрицательный заряд появится на стороне сферы, ближайшей к заряду. Как называется это явление?
Похоже, что это очень похоже на электростатическую индукцию, но это явление будет называться поляризацией. В чем разница:
В первом случае это проводник, а во втором — диэлектрик. Не вдаваясь в подробности, поляризация диэлектрика — это процесс, очень похожий по природе на электростатическую индукцию, за исключением того, что он происходит в непроводящих материалах.
Кулон
Эта единица заряда была известна многим еще со школы. Это относится, как вы уже поняли, к системе единиц СИ. Это производная величина, которая не является базовой в системе СИ. Он выводится из других величин и определяется из других величин.
Единицей измерения назван ученый — Шарль де Огюстен Кулон, открывший закон взаимодействия зарядов и, как следствие, электрического заряда. Обозначьте сокращенную сумму дебета буквами Kl, а что касается суммы заряда — пишут заглавными буквами —
кулон.
Определение электрического заряда в системе СИ следующее:
Электрический заряд кулона — это заряд, который проходит через участок проводника с током в один ампер за время, равное одной секунде.
Есть связь между зарядом и блоком в ампер часах. Подвеска на электричество равна 1/3600 ампер-час.
Электростатическая индукция
Похоже, электрификация решена. Теперь давайте попробуем понять, что происходит, если мы переносим одно тело в другое, но близко не приближаемся. Возникнет такое явление, как электростатическая индукция — явление перераспределения зарядов в телах с нейтральным зарядом.
Давайте посмотрим на пример проблемы:
Разряженный металлический шар подвешен к проволоке. Снизу принесли положительно заряженную палку. Как изменится сила натяжения нити?
Решение:
здесь важно подчеркнуть, что отсутствие заряда означает нейтральный заряд. То есть в теле одинаковое количество положительных и отрицательных зарядов.
Электроны металлической сферы будут притягиваться к приподнятому положительному стержню. В результате шарик притягивается к палке, и сила натяжения нити увеличивается.
Ответ: Натяжение нити увеличивается
Закон сохранения электрического заряда
экспериментально установлено, что в замкнутой системе выполняется один из основных законов физики — закон сохранения. В изолированной системе общий заряд не исчезает, а сохраняется с течением времени. Кроме того, он квантуется, то есть изменяется частями, кратными заряду элементарной частицы.
Алгебраическая сумма зарядов является постоянной величиной: q1 + q2 +… + qn = const (см. Рис. 7).
Рис. 7. Сохранение статического электричества
Закон был сформулирован Б. Франклином (1747 г.) и подтвержден М. Фарадеем в 1843 г.
Единица измерения
Единицей заряда в международной системе СИ является 1 кулон — общий заряд элементарных частиц, которые превышают поперечное сечение проводника с током 1 А, за единицу времени (секунду). Это огромная сумма. Силу взаимодействия 1 Кл на расстоянии 1 м можно сравнить с действием гравитационного притяжения Земли на тело массой 1 миллион тонн (9 × 109 Н).
Теоретические сведения
Электрический заряд — это способность тел создавать электромагнитное поле. В физике секция электростатики изучает взаимодействия стационарных зарядов по отношению к выбранной инерциальной системе отсчета.
В чем измеряется
Единица измерения СИ называется «кулон» — это электрический заряд, который проходит через проводник сечением 1 Ампер за 1 секунду.
Буквенное обозначение — Q или q. Может принимать как положительные, так и отрицательные значения. Название дано в честь физика Шарля Кулона, от которого он вывел формулу для нахождения сил взаимодействия между ними, она называется «Закон Кулона»:
В нем q1, q2 — модули зарядов, r — расстояние между ними, k — коэффициент пропорциональности.
Формула аналогична закону притяжения, в принципе описывает такое взаимодействие. Имеет наименьшую массу. Его электрический заряд отрицательный и равен:
-1,6 * 10 ^ (- 19) Cl
Позитрон противоположен электрону и также состоит из положительного элементарного заряда.
Помимо того, что он дискретный, квантованный или измеряемый по частям, для него также действует Закон сохранения зарядов, который гласит, что в замкнутой системе одновременно могут возникать только заряды обоих знаков. Проще говоря: алгебраическая сумма (с учетом знаков) зарядов частиц и тел в замкнутой (изолированной) системе всегда остается неизменной. Он не меняется со временем или когда частица движется, он постоянен на протяжении всей ее жизни. Более простые заряженные частицы принято сравнивать с электрическими зарядами.
Закон сохранения электрических зарядов был впервые подтвержден Майклом Фарадеем в 1843 году. Это один из фундаментальных законов физики.
Проводники, полупроводники и диэлектрики
В кондукторах много бесплатных расходов. Они свободно перемещаются по телу. В полупроводниках почти нет свободных носителей, но если передать небольшое количество энергии телу, они образуются, в результате чего тело начинает проводить электрический ток, т.е электрические заряды начинают двигаться. Диэлектрики — это вещества, в которых количество свободных носителей минимально, поэтому через них не может проходить ток или может при определенных условиях, например, очень высокое напряжение.
Взаимодействие зарядов
Взаимодействие зарядов: тела с одинаковыми именами отталкиваются друг от друга по-разному — они притягиваются друг к другу
Самым простым и повседневным явлением, при котором обнаруживается факт существования электрических зарядов в природе, является электризация тел при контакте 4. Способность электрических зарядов как к взаимному притяжению, так и к взаимному отталкиванию объясняется существованием двух разных типов зарядов 5. Один тип электрического заряда называется положительным, а другой — отрицательным. Тела с одинаковым зарядом притягиваются друг к другу, а тела с одинаковым зарядом отталкиваются.
Когда два электрически нейтральных тела вступают в контакт посредством трения, заряды передаются от одного тела к другому. В каждом из них нарушается равенство суммы положительных и отрицательных зарядов, и тела заряжаются по-разному.
Когда тело электризуется за счет воздействия в нем, равномерное распределение зарядов нарушается. Они перераспределяются так, что в одной части тела имеется избыток положительных зарядов, а в другой — отрицательных. Если эти две части отсоединить, они будут загружены противоположно.
| Симметрия в физике | ||
| Трансформация | Соответствующая инвариантность | Соответствующий закон сохранения |
| ↕ ежечасные трансляции | Временное единообразие | . власть |
| , и -симметрия | Изотропия времени | . паритет |
| Пространство передачи | Единообразие пространства | . импульс |
| ↺ Пространство вращения | Изотропия пространства | . угловой момент |
| ⇆ Группа Лоренца (усиление) | Относительность. Ковариация Лоренца | . движение центра масс |
| ~ Конверсия калибра | Калибровочная инвариантность | . нагрузка |
Свойства
установлено, что стационарный заряд q неразрывно связан с электрическим полем, представляющим особый тип материи. Поле — это материальный вектор взаимодействия элементарных частиц. Это свойство поля проявляется и в отсутствии материи между взаимодействующими телами.
Электрическое поле действует с силой F на пробный заряд q ‘, расположенный в любой точке поля.
Количество векторов:
характеризует действие электричества и называется напряженностью поля. Линии, касательные к которым совпадают с вектором напряжения, образуют линии напряжения. Плотность линий напряжения определяет величину напряжения.
Линии напряженности электростатического поля точечного заряда — это лучи, исходящие из точки (для положительного) или входящие в точку (для отрицательного) (см. Рис. 4).
Рис. 4. Линии напряженности поля
Электростатическое взаимодействие электромагнитных полей можно наблюдать по поведению заряженных сфер. Если палочка из черного дерева или стекла наэлектризована трением и поднесена к крошечным шарикам бузины, то мы увидим, как из-за эффекта силовых взаимодействий частицы отталкиваются друг от друга (если они имеют одинаковые знаки) или притягиваются друг к другу. (с разными знаками).
Насыщенность свободных векторов различными веществами неодинакова. Большинство свободных электронов находится в металлах. Поскольку заряженные электроны могут двигаться под действием электрического поля, они являются основными переносчиками электрического тока в металлах. В этом случае движение электронов не приводит к каким-либо химическим изменениям.
Перенос зарядов в расплавленных солях или в кислых растворах осуществляется ионами. Они могут быть как положительно, так и отрицательно заряженными. В отличие от металлов перераспределение зарядов в этих жидкостях сопровождается химическими реакциями. Поэтому растворы называют проводниками второго типа, то есть такими, которые под действием постоянных токов приводят к изменению химического состава вещества.
Поэтому вещества условно делят по типу проводимости:
- проводники первого типа (металлы);
- проводники второго типа (солевые, щелочные и кислотные растворы);
- полупроводники (электронно-дырочная проводимость);
- диэлектрики (вещества, не способные проводить электричество из-за отсутствия свободных носителей).
Электрический заряд
Нам буквально приходится снимать друг друга, как только мы вымылись и достали из сушилки, или когда мы не можем наэлектризовать волосы и буквально встать на ноги в порядке. А кто не пробовал подвешивать воздушный шар к потолку после того, как потерся им о голову? Это притяжение и отталкивание — проявление статического электричества… Такие действия называются
электрификация.
Статическое электричество объясняется наличием в природе электрического заряда… Заряд — внутреннее свойство элементарных частиц. Заряд, который образуется на стекле при трении его о шелк, принято называть
положительный
, и заряд, который возникает на эбоните, когда он трется о шерсть, составляет
отрицательный
.
Рассмотрим атом. Атом состоит из ядра и летающих вокруг него электронов (синие частицы на рисунке). Ядро состоит из протонов (красный) и нейтронов (черный).
.
Носителем отрицательного заряда является электрон, положительного заряда — протон. Нейтрон — нейтральная частица и не имеет заряда.
Величина элементарного заряда — электрона или протона — имеет постоянное значение и равна
Целый атом является нейтральным, если число протонов совпадает с числом электронов. Что произойдет, если электрон оторвется и улетит? У атома будет лишний протон, то есть положительных частиц больше, чем отрицательных. Такой атом называется положительным ионом
… А если присоединится еще один электрон, получим
отрицательный ион
… После отрыва электроны могут не слипаться, а некоторое время свободно перемещаться, создавая отрицательный заряд. Следовательно, в веществе свободными носителями заряда являются электроны, положительные и отрицательные ионы.
Чтобы протон был свободным, необходимо разрушить ядро, что означает разрушение всего атома. Мы не будем рассматривать такие способы получения электрических зарядов.
Тело становится заряженным, когда в нем содержится избыток одной или другой заряженной частицы (электронов, положительных или отрицательных ионов).
Количество заряда тела кратно элементарному заряду. Например, если в теле 25 свободных электронов, а остальные атомы нейтральны, то тело заряжено отрицательно, и его заряд равен. Элементарный заряд не делится — это свойство называется дискретностью
Подобные заряды (два положительных или два отрицательных) отталкиваются друг от друга
противоположные (положительные и отрицательные) —
меня привлекает
Загрузить баллы
это материальная точка, имеющая электрический заряд.