Электрический заряд: что это такое и как он измеряется

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.

Кулон Carlo

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

протон и электрон

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.

Взаимодействие зарядов

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?

Пример решения проблемы

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).

Сохранение статического электричества
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»:

Формула закона 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.

Электрон и позитрон

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:

Напряженность электрического поля формулы

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).

Линии напряженности поля
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.

Источники

  • https://RkzSp.ru/informbyuro/formula-velichiny-zaryada.html
  • https://skysmart.ru/articles/physics/zakon-sohraneniya-elektricheskogo-zaryada
  • [https://www.remontostroitel.ru/chto-eto-takoe-i-kak-on-izmeryaetsya.html]
  • [https://www.asutpp.ru/elektricheskiy-zaryad.html]

Оцените статью
Блог про двигатели