Физика электрический заряд: Урок 26. электрический заряд. закон кулона — Физика — 10 класс

Урок 26. электрический заряд. закон кулона — Физика — 10 класс

Физика, 10 класс

Урок 26. Электрический заряд. Закон Кулона

Перечень вопросов, рассматриваемых на уроке:

1) электродинамика;

2) электризация;

3) два рода зарядов;

4) закон Кулона;

5) применение электризации;

6) вредные действия электризации.

Глоссарий по теме:

Электродинамика это наука о свойствах и закономерностях поведения особого вид материи – электромагнитного поля, осуществляющего взаимодействие между электрически заряженными телами или частицами.

Электрический заряд – физическая величина, характеризующая электрические свойства частиц.

Элементарный заряд — заряд электрона (или протона).

Электрон — частица с наименьшим отрицательным зарядом.

Электризация — явление приобретения телом заряда.

Кулоновская силасила взаимодействия зарядов

Основная и дополнительная литература по теме урока:

1. Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б., Сотский Н.Н. Физика.10 класс. Учебник для общеобразовательных организаций М.: Просвещение, 2017. С. 277 – 282.

2. Тульчинский М.Е. Сборник качественных задач по физике. – М.: Просвещение, 1965. С.81.

3. Алексеева М. Н. Физика юным. – М.: Просвещение, 1980. С. 68-78.

Теоретический материал для самостоятельного изучения

Элементарные частицы – это мельчайшие частицы, которые не делятся на более простые, из которых состоят все тела.

Если частицы взаимодействуют друг с другом с силами, которые убывают с увеличением расстояния так же, как и силы всемирного тяготения, но превышают силы тяготения во много раз, то говорят, что эти частицы имеют электрический заряд, а частицы называются заряженными.

Взаимодействие заряженных частиц называется электромагнитным.

Заряды одного знака отталкиваются друг от друга, а разного знака – притягиваются.

При электризации трением оба тела приобретают заряды, противоположные по знаку, но одинаковые по модулю.

При электризации тел выполняется закон сохранения электрического заряда:

В изолированной системе алгебраическая сумма зарядов всех тел сохраняется.

Заряженные тела, размерами и формой которых можно пренебречь при их взаимодействии, называются точечными зарядами.

Силу взаимодействия зарядов называют кулоновской силой.

Сила, с которой взаимодействуют заряды, прямо пропорциональна произведению зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.

Закон Кулона:

где — это электрическая постоянная.

— заряд электрона

— заряд протона

Единица измерения электрического заряда – Кулон.

Заряд в 1 Кл очень велик. Сила взаимодействия двух точечных зарядов по1 Кулон каждый, расположенных на расстоянии 1 км друг от друга, чуть меньше силы, с которой Земля притягивает груз массой 1т.

Примеры и разбор решения заданий:

1. Два заряда q1 и q2 взаимодействуют в вакууме с силой F. Если заряд каждой частицы увеличить в два раза и расстояние между ними уменьшить в два раза, то как изменится сила их взаимодействия?

Решение:

Используя закон Кулона можем рассчитать, что сила взаимодействия между зарядами увеличится в 16 раз.

2. Два шарика, расположенные на расстоянии 10 см друг от друга, имеют одинаковые отрицательные заряды и взаимодействуют с силой 0,23 мН. Найти число избыточных электронов на каждом шарике.

Решение:

Число избыточных электронов:

Сила взаимодействия между двумя заряженными шариками:

Отсюда выражаем заряд шарика:

Заряд электрона равен e =|-1,6·10-31| Kл

Вычисления:

Ответ: .

Электрический заряд. Суммарный и отрицательный заряды

Автор статьи — профессиональный репетитор, автор учебных пособий для подготовки к ЕГЭ Игорь Вячеславович Яковлев

Темы кодификатора ЕГЭ: электризация тел, взаимодействие зарядов, два вида заряда, закон сохранения электрического заряда.

Электромагнитные взаимодействия принадлежат к числу наиболее фундаментальных взаимодействий в природе. Силы упругости и трения, давление газа и многое другое можно свести к электромагнитным силам между частицами вещества. Сами электромагнитные взаимодействия уже не сводятся к другим, более глубоким видам взаимодействий.

Столь же фундаментальным типом взаимодействия является тяготение — гравитационное притяжение любых двух тел. Однако между электромагнитными и гравитационными взаимодействиями имеется несколько важных отличий.

1. Участвовать в электромагнитных взаимодействиях могут не любые, а только заряженные тела (имеющие электрический заряд).

2. Гравитационное взаимодействие — это всегда притяжение одного тела к другому. Электромагнитные взаимодействия могут быть как притяжением, так и отталкиванием.

3. Электромагнитное взаимодействие гораздо интенсивнее гравитационного. Например, сила электрического отталкивания двух электронов в раз превышает силу их гравитационного притяжения друг к другу.

Каждое заряженное тело обладает некоторой величиной электрического заряда . Электрический заряд — это физическая величина, определяющая силу электромагнитного взаимодействия между объектами природы. Единицей измерения заряда является кулон (Кл).

Два вида заряда

Поскольку гравитационное взаимодействие всегда является притяжением, массы всех тел неотрицательны. Но для зарядов это не так. Два вида электромагнитного взаимодействия — притяжение и отталкивание — удобно описывать, вводя два вида электрических зарядов: положительные и отрицательные.

Заряды разных знаков притягиваются друг к другу, а заряды разных знаков друг от друга отталкиваются. Это проиллюстрировано на рис. 1; подвешенным на нитях шарикам сообщены заряды того или иного знака.

Рис. 1. Взаимодействие двух видов зарядов

Повсеместное проявление электромагнитных сил объясняется тем, что в атомах любого вещества присутствуют заряженные частицы: в состав ядра атома входят положительно заряженные протоны, а по орбитам вокруг ядра движутся отрицательно заряженные электроны.

Заряды протона и электрона равны по модулю, а число протонов в ядре равно числу электронов на орбитах, и поэтому оказывается, что атом в целом электрически нейтрален. Вот почему в обычных условиях мы не замечаем электромагнитного воздействия со стороны окружающих тел: суммарный заряд каждого из них равен нулю, а заряженные частицы равномерно распределены по объёму тела. Но при нарушении электронейтральности (например, в результате электризации) тело немедленно начинает действовать на окружающие заряженные частицы.

Почему существует именно два вида электрических зарядов, а не какое-то другое их число, в данный момент не известно. Мы можем лишь утверждать, что принятие этого факта в качестве первичного даёт адекватное описание электромагнитных взаимодействий.

Заряд протона равен Кл. Заряд электрона противоположен ему по знаку и равен Кл. Величина

Кл

называется элементарным зарядом. Это минимальный возможный заряд: свободные частицы с меньшей величиной заряда в экспериментах не обнаружены. Физика не может пока объяснить, почему в природе имеется наименьший заряд и почему его величина именно такова.

Заряд любого тела всегда складывается из целого количества элементарных зарядов:

Если , то тело имеет избыточное количество электронов (по сравнению с количеством протонов). Если же , то наоборот, у тела электронов недостаёт: протонов на больше.

Электризация тел

Чтобы макроскопическое тело оказывало электрическое влияние на другие тела, его нужно электризовать. Электризация — это нарушение электрической нейтральности тела или его частей. В результате электризации тело становится способным к электромагнитным взаимодействиям.

Один из способов электризовать тело — сообщить ему электрический заряд, то есть добиться избытка в данном теле зарядов одного знака. Это несложно сделать с помощью трения.

Так, при натирании шёлком стеклянной палочки часть её отрицательных зарядов уходит на шёлк. В результате палочка заряжается положительно, а шёлк — отрицательно. А вот при натирании шерстью эбонитовой палочки часть отрицательных зарядов переходит с шерсти на палочку: палочка заряжается отрицательно, а шерсть — положительно.

Данный способ электризации тел называется электризацией трением. С электризацией трением вы сталкиваетесь всякий раз, когда снимаете свитер через голову 😉

Другой тип электризации называется электростатической индукцией, или электризацией через влияние. В этом случае суммарный заряд тела остаётся равным нулю, но перераспределяется так, что в одних участках тела скапливаются положительные заряды, в других — отрицательные.

Рис. 2. Электростатическая индукция

Давайте посмотрим на рис. 2. На некотором расстоянии от металлического тела находится положительный заряд . Он притягивает к себе отрицательные заряды металла (свободные электроны), которые скапливаются на ближайших к заряду участках поверхности тела. На дальних участках остаются нескомпенсированные положительные заряды.

Несмотря на то, что суммарный заряд металлического тела остался равным нулю, в теле произошло пространственное разделение зарядов. Если сейчас разделить тело вдоль пунктирной линии, то правая половина окажется заряженной отрицательно, а левая — положительно.

Наблюдать электризацию тела можно с помощью электроскопа. Простой электроскоп показан на рис. 3 (изображение с сайта en.wikipedia.org).

Рис. 3. Электроскоп

Что происходит в данном случае? Положительно заряженная палочка (например, предварительно натёртая) подносится к диску электроскопа и собирает на нём отрицательный заряд. Внизу, на подвижных листочках электроскопа, остаются нескомпенсированные положительные заряды; отталкиваясь друг от друга, листочки расходятся в разные стороны. Если убрать палочку, то заряды вернутся на место и листочки опадут обратно.

Явление электростатической индукции в грандиозных масштабах наблюдается во время грозы. На рис. 4 мы видим идущую над землёй грозовую тучу.

Рис. 4. Электризация земли грозовой тучей

Внутри тучи имеются льдинки разных размеров, которые перемешиваются восходящими потоками воздуха, сталкиваются друг с другом и электризуются. При этом оказывается, что в нижней части тучи скапливается отрицательный заряд, а в верхней — положительный.

Отрицательно заряженная нижняя часть тучи наводит под собой на поверхности земли заряды положительного знака. Возникает гигантский конденсатор с колоссальным напряжением между тучей и землёй. Если этого напряжения будет достаточно для пробоя воздушного промежутка, то произойдёт разряд — хорошо известная вам молния.

Закон сохранения заряда

Вернёмся к примеру электризации трением — натирании палочки тканью. В этом случае палочка и кусок ткани приобретают равные по модулю и противоположные по знаку заряды. Их суммарный заряд как был равен нулю до взаимодействия, так и остаётся равным нулю после взаимодействия.

Мы видим здесь закон сохранения заряда, который гласит: в замкнутой системе тел алгебраическая сумма зарядов остаётся неизменной при любых процессах, происходящих с этими телами:

Замкнутость системы тел означает, что эти тела могут обмениваться зарядами только между собой, но не с какими-либо другими объектами, внешними по отношению к данной системе.

При электризации палочки ничего удивительного в сохранении заряда нет: сколько заряженных частиц ушло с палочки — столько же пришло на кусок ткани (или наоборот). Удивительно то, что в более сложных процессах, сопровождающихся взаимными превращениями элементарных частиц и изменением числа заряженных частиц в системе, суммарный заряд всё равно сохраняется!

Например, на рис. 5 показан процесс , при котором порция электромагнитного излучения (так называемый фотон) превращается в две заряженные частицы — электрон и позитрон . Такой процесс оказывается возможным при некоторых условиях — например, в электрическом поле атомного ядра.

Рис. 5. Рождение пары электрон–позитрон

Заряд позитрона равен по модулю заряду электрона и противоположен ему по знаку. Закон сохранения заряда выполнен! Действительно, в начале процесса у нас был фотон, заряд которого равен нулю, а в конце мы получили две частицы с нулевым суммарным зарядом.

Закон сохранения заряда (наряду с существованием наименьшего элементарного заряда) является на сегодняшний день первичным научным фактом. Объяснить, почему природа ведёт себя именно так, а не иначе, физикам пока не удаётся. Мы можем лишь констатировать, что эти факты подтверждаются многочисленными физическими экспериментами.

Электрический заряд. Закон сохранения электрического заряда

Ещё
совсем недавно мы с вами говорили о том, что по современным представлениям
основой всего многообразия явлений природы являются всего четыре
фундаментальных взаимодействия — сильное, слабое, электромагнитное и
гравитационное. Каждый вид взаимодействия связан с определённой характеристикой
частицы. Так, гравитационное взаимодействие зависит от масс частиц, а
электромагнитное — от электрических зарядов.

Электромагнитное
взаимодействие лежит в основе всех электрических, магнитных и оптических
явлений. Им же обусловлены возникновения сил упругости и сил трения, о которых
мы говорили при изучении механики.

Взаимодействие
атомов и молекул, которое мы рассматривали при изучении
молекулярно-кинетической теории, также является электромагнитным.
Электромагнитное взаимодействие определяет свойства веществ в различных
агрегатных состояниях и их химические превращения. Оно же ответственно за обмен
веществ в человеческом организме.

Раздел
физики, в котором изучают свойства и закономерности поведения электромагнитного
поля, с помощью которого осуществляется взаимодействие между электрически
заряженными телами или частицами, называется электродинамикой.

Считается,
что термин «электродинамика» ввёл в физику французский учёный Андре Мари Ампер
в 1822 г. Хотя электрические явления известны человеку ещё с глубокой
древности. Например, ещё в VII
в. до н. э. в Древней Греции знаменитый Фалес Милетский обнаружил, что янтарная
палочка, потёртая о шерсть, способна притягивать к себе лёгкие предметы.

В
XVI веке Уильям Гильберт обнаружил, что свойством притягивать лёгкие предметы
обладает не только янтарь, но и многие другие тела, предварительно натёртые
кожей или другими мягкими материалами. Это явление он назвал электризацией
(так как янтарь по-гречески звучит как, электрон).

О
телах, способных к таким взаимодействиям, говорят, что они электрически заряжены,
то есть им сообщён электрический заряд.

А
теперь давайте подумаем, что означают слова: тело или частица обладает
электрическим зарядом? Чтобы ответить на этот вопрос, обратимся к истории.
Итак, ещё в 1881 году знакомый нам немецкий физик Герман Гельмгольц высказал
гипотезу, объясняющую электрические явления существованием электрически
заряженных элементарных частиц.

Под
элементарными частицами мы с вами будем понимать мельчайшие неделимые на
более простые частицы, из которых построены все тела.

Гипотеза
Гельмгольца была подтверждена спустя 16 лет английским физиком Уильямом
Томсоном, после открытия им электрона. А также Эрнестом Резерфордом, который в
1919 году открыл протон, заряд которого с точностью до 10–20 равен
модулю заряда электрона, хотя его масса в 1836 раз больше.

Многие
элементарные частицы, хотя и не все, обладают способностью взаимодействовать
друг с другом с силой, которая подобно гравитационным силам убывает обратно
пропорционально квадрату расстояния, но эта сила во много раз превосходит силу
тяготения. Например, между протоном и электроном в атоме водорода эта сила
примерно в 1039 раз больше силы их гравитационного взаимодействия.

Поэтому
принято считать, что если частицы взаимодействуют друг с другом с силами,
которые убывают с увеличением расстояния так же, как и силы всемирного
тяготения, но превышают последние во много раз, то говорят, что эти частицы
имеют электрический заряд. А сами частицы называются заряженными.

Важно
запомнить, что частица может и не обладать электрическим зарядом. А вот электрического
заряда без частицы не существует
.

Подобно
тому, как масса определяет интенсивность гравитационного взаимодействия, электрический
заряд является количественной мерой способности тел к электромагнитным
взаимодействиям.

Чаще
всего обозначать электрический заряд мы с вами будем малой латинской буквой q,
а измерять — в кулонах (Кл).

1
Кл — это электрический заряд, проходящий через поперечное сечение проводника за
1 с при силе постоянного тока 1 А.

Один
кулон — это очень большая единица заряда. Расчёты показывают, что диаметр
уединённого металлического шара, находящегося в сухом воздухе, должен быть
равен примерно 110 м, чтобы на нём мог находиться избыточный заряд в 1 Кл. Но
при этом при включении автомобильных фар через поперечное сечение проводников,
подсоединённых к фарам, проходит заряд приблизительно в 10 Кл.

В
1729 году французский учёный Шарль Франсуа Дюфе проведя серию экспериментов
установил, что в природе существует два рода зарядов. Один образуется при трении
стекла о шёлк, а другой — смолы о шерсть. Поэтому Дюфе назвал заряды
«стеклянным» и «смоляным» соответственно.

В
1747 году американский учёный Бенджамин Франклин (кстати, это единственный не
президент, изображённый на денежных банкнотах США) ввёл понятие положительного
и отрицательного заряда, соответственно заряда, приобретённого стеклянной
палочкой, потёртой о шёлк, и заряда, полученного на янтаре, потёртым о мех.

В
последствии было установлено, что носителями положительных зарядов являются
протоны, входящие в состав всех атомных ядер. А носителями отрицательных
зарядов являются электроны, входящие в состав всех атомов.

Из
курса физики средней школы вы знаете, что электрическое взаимодействие
проявляется в том, что одноимённо заряженные тела (или частицы) отталкивают
друг друга, а разноимённо — притягиваются.

На
этом явлении основан принцип действия простейшего электроскопа — прибора,
при помощи которого выясняют, наэлектризовано тело или нет.

Напомним,
что электроскоп состоит из металлического стержня, к концу которого прикреплены
две тонкие бумажные полоски. Стержень с бумажными листочками вставляется в
металлическую оправу, застеклённую с обеих сторон. Чтобы стержень не касался оправы, его
пропускают через пластмассовую пробку. Если дотронуться заряженным
телом до стержня электроскопа, то бумажные листочки оттолкнутся друг от друга.

Более
совершенным прибором является электрометр. Сообщённый шарику, а через него
стержню и стрелке заряд (любого знака) вызывает отталкивание стрелки от
заряженного стержня. Нижний конец стрелки перемещается при этом по шкале. А
металлический корпус позволяет использовать прибор и для более сложных
измерений. Например, при помощи электрометра можно доказать, что при
электризации трением оба тела, приобретают равные по модулю, но противоположные
по знаку заряды. Покажем это. Возьмём электрометр, на который сверху надет
полый металлический шар. Наэлектризуем трением друг о друга две пластинки —
эбонитовую и плексигласовую.

Внесём
сначала одну из них внутрь полого шара электрометра и убедимся, что он
зарядился. Снимем заряд с электрометра, прикоснувшись к нему рукой, и внесём
внутрь шара вторую пластинку. Стрелка электрометра отклонилась на такой же
угол, что и в прошлый раз. Это убеждает нас в том, что каждая из пластинок
действительно заряжается при трении друг о друга. А теперь внесём внутрь шара
одновременно обе заряженные пластинки — электрометр не обнаруживает заряда —
его стрелка не отклоняется.

Данный
опыт позволяет нам ещё раз убедиться не только в том, что при электризации тела
приобретают заряды противоположных знаков, но и в том, что эти заряды равны по
модулю. При этом, что важно, при электризации новые носители зарядов не
возникают, а существовавшие ранее — не исчезают. Происходит лишь
перераспределение зарядов в телах, которые до этого были нейтральными.

Заряд на внесённой в электрометр пластинке, притягивает к себе разноимённый и
отталкивает одноимённый заряд на стержне и стрелке прибора, что и объясняет
появление заряда.

Серия
похожих опытов позволили одному из основателей электродинамики Майклу Фарадею в
1838 году сделать один очень важный для своего времени вывод: «Невозможно ни
создать; ни уничтожить одну из электрических сил без равного и соответствующего
изменения другой». Такой была первая формулировка одного из фундаментальных
законов природы — закона сохранения электрического заряда.

Обратите
внимание, что Фарадей говорит не о сохранении заряда, а о сохранении силы, так
как ему было неизвестно, как электрические заряды связаны с атомами вещества
(ведь существование электрона и протона, было осуществлено гораздо позднее).
Поэтому он исходил из философской концепции взаимной превращаемости сил природы
и сохранения сил при их превращении. Электрический заряд он понимает, как
источник электрической силы.

Строгая
формулировка закона сохранения электрического заряда возникла только после открытия
факта взаимной превращаемости элементарных частиц материи: в электрически
изолированной системе тел алгебраическая сумма зарядов всех тел остаётся
постоянной:

Обратите
внимание на то, что выполняется закон сохранения заряда только для электрически
изолированных систем
, которые не обменивается электрически заряженными
частицами с внешними телами. Интересно, но причина, по которой выполняется
закон сохранения электрического заряда до сих пор не ясна.

А
теперь давайте проведём с вами такой опыт. Возьмём заряженный электрометр и с
помощью проводника соединим его с точно таким же незаряженным электрометром.
Нетрудно заметить, что ровно половина заряда перешла с первого электрометра на
второй. Теперь разрядим второй электрометр, коснувшись рукой и вновь
присоединим его к первому, на котором осталась половина первоначального заряда.

Отклонившиеся,
но уже на меньший угол, стрелки опять показывают присутствие заряда на обоих
приборах. Только на каждом из них теперь лишь по четверти первоначального
заряда. Очевидно, что, продолжая подобное деление, можно получить одну восьмую,
одну шестнадцатую и так далее части начального заряда. Из истории физики
известно, что уже более ста лет назад учёные умели делить заряд. Но самым важным
для них было выяснить: существует ли в природе наименьший заряд, то есть такой,
который разделить уже невозможно?

Опыты,
позволившие найти «наименьшую порцию электричества», то есть элементарный
заряд
, были проведены одновременно в 1910—1913 годах американцем Робертом
Милликеном и российским физиком Абрамом Фёдоровичем Иоффе.

В
их опытах заряженная очень малая капелька масла (в опытах Милликена) и пылинка
цинка (в опытах Иоффе) «зависала» между заряженными пластинами. Электрическая
сила, компенсирующая силу тяжести, зависела от заряда капельки или пылинки, что
позволило учёным судить о значении этого заряда. В обоих опытах были получены
одинаковые результаты: заряд не мог принимать любое значение и всегда был
кратен одному и тому же числу — заряду электрона
. Так как этот заряд дальше
уже не делился, то его и назвали элементарным зарядом, модуль которого равен
модулю заряда электрона.

е
= 1,6 · 10–19 Кл.

Таким
образом, любой электрический заряд дискретен, то есть он может быть
больше заряда электрона только в целое число раз:

q
= е (Nр – Nе) =
Ne.

Электростатика. Основные понятия. Электрический заряд. Закон сохранения электрического заряда. Закон Кулона. Принцип суперпозиции. Теория близкодействия. Потенциал электрического поля. Конденсатор.

Адрес этой страницы (вложенность) в справочнике dpva.ru:  главная страница  / / Техническая информация / / Физический справочник / / Физика для самых маленьких. Шпаргалки. Школа.  / / Электростатика. Основные понятия. Электрический заряд. Закон сохранения электрического заряда. Закон Кулона. Принцип суперпозиции. Теория близкодействия. Потенциал электрического поля. Конденсатор.

Поделиться:




Электростатика. Основные понятия. Электрический заряд. Закон сохранения электрического


заряда. Закон Кулона. Принцип суперпозиции. Теория близкодействия. Потенциал электрического

поля. Конденсатор.



















Основные понятия электростатики:  электрический заряд, элементарный заряд, электрическое поле, проводник, диэлектрик:

  • Электрический заряд Q [Кл]: это физическая величина, характеризующая свойство тел вступать в электрическое взаимодействие. Одноименные заряды отталкиваются, а разноименные заряды притягиваются
  • Элементарный заряд: e=1,6*10-19 Кл это минимальная порция заряда, котрая может передаваться от одного тела к другому (заряд протона или электрона)
  • Электрическое поле: это создаваемый любым электрическим зарядом материальный объект, непрерываный в пространстве, проявляющийся в том, что действет на другие заряды.
  • Проводник: это материал, по которому заряд может свободно перемещаться от одного тела к другому.
  • Диэлектрик: это материал, по которому электрический заряд при обычных условиях перемещаться не может.

Закон сохранения электрического заряда:

  • Закон сохранения электрического заряда: в замкнутой системе алгебраическая (с учетом знаков +/-) сумма зарядов остается постоянной

Закон Кулона, кулоновская сила:

  • Закон Кулона: сила взаимодействия двух точечных зарядов (=кулоновская сила) направлена вдоль прямой, соединяющей заряды, прямо пропорциональна модулю зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними:

Принцип суперпозиции для электрических зарядов:

  • Принцип суперпозиции для электрических зарядов: результирующая сила, действующая на данный заряд q1 со стороны нескольких зарядов q2. ….qn, равна геометрической сумме (= векторной сумме) сил F12+….F1n, действующих на данный заряд со стороны каждого из зарядов:

Теория близкодействия электрических зарядов:

  • Взаимодействие между заряженными частицами осуществляется посредством электрического поля и осуществляется с конечной скоростью

Напряженность электрического поля, напряженность поля точечного заряда:

  • Напряженность электрического поля [В/м]: E (векторная величина) это отношение силы F (векторной величины) с которой поле действует на точечный заряд q (скалярной величины), к этому заряду (с учетом знака заряда):
  • Напряженность электрического поля единичного точечного заряда Q: на расстоянии r от него (напрямую следует из закона Кулона):

Принцип суперпозиции электрических полей:

  • Принцип суперпозиции электрических полей: если в данной точке пространства различные заряженные частицы создают электрические поля, напряженности которых E1,E2,. …En, то результирующая напряженность электрического поля в этой точке равна векторной сумме отдельных напряжённостей:

Потенциал электрического поля, потенциальная энергия заряда, разность потенциалов = напряжение, связь разности потенциалов и напряженности в однородном поле:

  • Потенциальная энергия: заряда q в однородном электростатическом поле напряженности E:
    • ,
    • где d — расстояние до плоскости, где потенциальная энергия принимается равной нулю
  • Потенциал электростатического поля в точке [В]: это отношение потенциальной энергии заряда в поле, к этому заряду (с учетом знака заряда):
    • Вариант 2: это работа по перемещению единичного положительного заряда из данной точки в бесконечность
  • Напряжение = Разность потенциалов между точками: это отношение работы поля при перемещении заряда из начальной точки в конечную к этому заряду ( с учетом знака заряда):
    • Численно (но не по размерности) это работа поля по перемещению единичного положительного заряда из одной точки в другую
  • Связь разности потенциалов и напряженности: в однородном поле:
    • где U это разность потенциалов между точками, которые cвязаны вектором перемещения Δd, совпадающим по направлению с вектором E

Конденсатор, электроемкость, напряженность, энергия:

  • Электроемкость двух проводников: это отношение заряда Q одного из проводников к разности потенциалов U между этим проводником и соседним:
  • Конденсатор: это система двух проводников (обкладок конденсатора), разделенных слоем диэлектрика, толщина которого мала по отношению к размерам обкладок
  • Напряженность поля плоского конденсатора:
  • Электроемкость плоского конденсатора:
  • Энергия заряженного конденсатора:


Поиск в инженерном справочнике DPVA. Введите свой запрос:


Поиск в инженерном справочнике DPVA. Введите свой запрос:

Если Вы не обнаружили себя в списке поставщиков, заметили ошибку, или у Вас есть дополнительные численные данные для коллег по теме, сообщите , пожалуйста.

Вложите в письмо ссылку на страницу с ошибкой, пожалуйста.

Коды баннеров проекта DPVA.ru
Начинка: KJR Publisiers

Консультации и техническая
поддержка сайта: Zavarka Team

Проект является некоммерческим. Информация, представленная на сайте, не является официальной и предоставлена только в целях ознакомления. Владельцы сайта www.dpva.ru не несут никакой ответственности за риски, связанные с использованием информации, полученной с этого интернет-ресурса.
Free xml sitemap generator

Электрический заряд. Взаимодействие электрических зарядов. Закон Кулона

Знакомство с явлениями электростатики лучше начинать в сухую погоду. Расчесывая волосы, снимая свитер можно наблюдать в темноте проскакивание крошечных искр и слабое потрескивание. Если потереть пластиковую расческу о волосы и поднести ее к мелким кусочкам бумаги, то они начнут притягиваться к расческе.

Электризация – физическое явление, которое приводит к возникновению взаимодействия (притяжения или отталкивания) двух тел, например, при приведении их в плотный контакт или при трении (стекло и кожа, плексиглас и шерсть, резина и шерсть). Обнаружено в Древней Греции при трении янтаря (по-гречески – «электрон») о шерсть.

Взаимодействие наэлектризованных тел в состоянии покоя называется электростатическим взаимодействием.

Опыты по взаимодействию заряженных тел показали, что в природе существуют два вида заряда. Б. Франклин назвал один из них положительным, а другой – отрицательным. Разноименные заряды притягиваются, а одноименные – отталкиваются.

Различают следующие виды электризации:

  1. Трением.
  2. Соприкосновением.
  3. Через влияние
  4. При облучении.

При электризации тел трением всегда одновременно заряжаются оба участвующих в электризации тела (например, стекло и шелк). Причем одно из них приобретает положительный заряд, а другое – отрицательный. Если до электризации оба тела не были заряжены, то величина положительного заряда первого тела оказывается в точности равной величине отрицательного заряда второго тела.

Современная теория объясняет электризацию твердых тел как перемещение электронов, входящих в состав атомов любых тел, с одного тела на другое.

В состав ядра входят положительно заряженные элементарные частицы – протоны. На теле, приобретающем отрицательный заряд, образуется избыточное число электронов по сравнению с числом протонов, а на положительно заряженном теле оказывается недостаток электронов по сравнению с числом протонов.

Электрический заряд – характеристика заряженного тела. Минимальный заряд обозначается буквой e и равен 1,6·10–19 Кл. Такой заряд имеют электрон и протон. Первые, наиболее точные определения заряда электрона были выполнены американским ученым Р. Милликеном и русским физиком А. Ф. Иоффе.

Для обнаружения и измерения электрического заряда используют электрометр. По углу отклонения стрелки модно судить о величине заряда.

Уменьшение числа электронов в одном теле равно увеличению их числа в другом. При этом полный заряд такой системы не изменяется, оставаясь равным нулю.

Сохранение числа протонов и электронов на соприкасающихся телах объясняет подтверждающийся опытом закон сохранения заряда: в электрически замкнутой системе алгебраическая сумма зарядов не меняется.

Количественное исследование взаимодействия заряженных тел осуществил в 1785 году французский физик Ш. Кулон (1736-1806). Он исследовал взаимодействие небольших заряженных металлических шариков при помощи крутильных весов.

На тонкой проволоке была подвешена стеклянная палочка с двумя металлическими шариками на концах. Одному шарику сообщали электрический заряд. Рядом с ним помещали неподвижный заряженный таким же по знаку зарядом шар. По углу поворота стеклянной палочки Ш.Кулон определял силу взаимодействия. Расстояние измерялось между центрами шаров.

Модуль силы взаимодействия F12 между двумя неподвижными точечными электрическими зарядами q1 и q2 в вакууме пропорционален произведению модулей этих зарядов и обратно пропорционален квадрату расстояния R12 между ними.

Точечный заряд – модель реальных заряженных тел,  размер которых значительно меньше, чем расстояние между ними.

Если имеется система точечных зарядов, то сила, действующая на каждый из них, определяется как векторная сумма сил, действующих на данный заряд со стороны всех других зарядов системы. При этом сила взаимодействия данного заряда с каким-то конкретным зарядом рассчитывается так, как будто других зарядов нет.

Сила взаимодействия точечных зарядов зависит от свойств среды, в которой они находятся:

Свойства среды определяет диэлектрическая проницаемость среды ε.

Границы применимости закона Кулона:

  • для точечных зарядов
  • для неподвижных зарядов
  • справедлив до расстояний не меньше 10-15 м

Применение электризации

1.Электрофильтры.

Для очистки воздуха от пыли, например,  при производстве цемента, очистки частиц дыма на ТЭС используют электрофильтры. Наэлектризованные частицы пыли притягиваются к заряженному элементу внутри фильтра.

2. Равномерное распыление краски краскопультом.

Электростатическая покраска используется для покрытия металлических поверхностей, например, в покрасочном цехе автомобильных кузовов. Для равномерного распыления краски на краскопульт подают отрицательный заряд, а  кузову автомобиля сообщают положительный заряд. Отрицательно заряженные капельки краски равномерно распределяются по поверхности кузова, образуя прочный, ровный слой.

3. Изготовление наждачной бумаги.

4. Генератор высокого напряжения Ван де Граафа.

Электризация нашла практическое применение в науке и технике. До недавнего времени в ядерных исследованиях на ускорителях элементарных частиц широко применялся генератор Ван-дер-Ваальса. С его помощью удавалось генерировать напряжение до нескольких миллионов вольт. Генератор разработан в 1929 году американским физиком Робертом Ван-дер-Ваальсом. Используется электризация трением. Заряд переносится на движущейся ленте и многократно снимается с нее на полый металлический проводник.

5. Очистка зерна.

6. Дактилоскопия.

7. Лазерный принтер и ксерокс.

Электризация тел при облучении нашла применение в ксерокопирование и лазерном принтере.

8. Медицина.

При работе люстры Чижевского образуется большое количество отрицательных ионов кислорода. При вдыхании воздуха ионы кислорода отдают электрические заряды эритроцитам крови, а затем – клеткам. Вследствие чего улучшается обмен веществ в организме.

Учет электризации

  1. Перевозка топлива.
  2. Электризация нитей на ткацкой фабрике.
  3. Электризация самолета во время полета.
  4. Электризация одежды.

Опорный конспект:

Закон сохранения электрического заряда. Физика, 8 класс: уроки, тесты, задания.











1.

Определение заряда тела 1


Сложность:
лёгкое

1


2.

Определение заряда капли 2


Сложность:
лёгкое

1


3.

Заряд пылинки 1


Сложность:
лёгкое

1


4.

Закон сохранения заряда


Сложность:
среднее

2


5.

Закон сохранения заряда телами при взаимодействии


Сложность:
среднее

2


6.

Делимость заряда 1


Сложность:
среднее

2


7.

Делимость электрического заряда


Сложность:
сложное

3


8.

Делимость заряда 2


Сложность:
сложное

4


9.

Закон сохранения заряда при взаимодействии заряженных тел


Сложность:
сложное

3

Электрический заряд и элементарные частицы

Сможете ли вы коротко и емко ответить на вопрос: «Что такое электрический заряд?» Это может показаться просто на первый взгляд, но на деле оказывается гораздо сложнее.

Известно ли нам, что такое электрический заряд

Дело в том, что на современном уровне знаний мы еще не можем разложить понятие «заряд» на более простые составляющие. Это основополагающее, так сказать, первичное понятие.

Нам известно, что это определенное свойство элементарных частиц, известен механизм взаимодействия зарядов, мы можем измерить заряд и использовать его свойства.

Однако все это следствие данных, полученных опытным путем. Природа этого явления нам до сих пор не ясна. Поэтому однозначно определить, что такое электрический заряд, мы не можем.

Для этого необходимо раскрыть целый круг понятий. Разъяснить механизм взаимодействия зарядов и описать их свойства. Поэтому проще разобраться, что означает утверждение: «данная частица имеет (несет на себе) электрический заряд».

Наличие электрического заряда у частицы

Общеизвестно, что все тела состоят из мельчайших частиц. Любое тело можно разделить на молекулы, молекулы на атомы, а атомы, в свою очередь, делятся на еще меньшие составляющие, которые уже являются неделимыми.

Класс наименьших неделимых частиц назвали элементарными частицами. Изначально это были протон, электрон и нейтрон. Открытие протона и нейтрона.

Однако позже удалось установить, что количество элементарных частиц намного больше, и что протон, электрон и нейтрон не являются неделимыми и основополагающими стройматериалами Вселенной. Они сами могут разлагаться на составляющие и превращаться в другие виды частиц.

Поэтому название «элементарная частица» в настоящее время включает довольно большой класс частиц, меньших по размеру, чем атомы и ядра атомов. При этом частицы могут иметь самые различные свойства и качества.

Однако, такое свойство, как электрический заряд, бывает только двух типов, которые условно назвали положительным и отрицательным. Наличие заряда у частицы это ее свойство отталкиваться или притягиваться к другой частице, которая тоже несет на себе заряд. Направление взаимодействия при этом зависит от типа зарядов.

Одноименные заряды отталкиваются, разноименные притягиваются. При этом сила взаимодействия между зарядами очень велика в сравнении с гравитационными силами, присущими всем без исключения телам во Вселенной.

В ядре водорода, для примера, электрон, несущий отрицательный заряд, притягивается к ядру, состоящему из протона и несущему положительный заряд, с силой в 1039 раз большей, чем сила, с которой тот же электрон притягивается протоном за счет гравитационного взаимодействия.

Частицы могут нести на себе заряд или не нести, в зависимости от типа частицы. Однако «снять» заряд с частицы невозможно, точно так же, как невозможно и существование заряда вне частицы.

Кроме протона и нейтрона заряд несут на себе некоторые другие виды элементарных частиц, однако неограниченно долго существовать могут только эти две частицы.

Остальные заряженные частицы существуют очень малое время (порядка 10-10 секунды или менее) и превращаются в другие виды частиц.

Нужна помощь в учебе?

Предыдущая тема: Элементарные частицы и античастицы: сущность и открытие
Следующая тема:&nbsp&nbsp&nbspЗакон сохранения электрического заряда: формулировка, подтверждение

5.

1 Электрический заряд — Университетская физика, Том 2

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете:

  • Опишите понятие электрического заряда
  • Качественно объясните силу, которую создает электрический заряд

Вы наверняка знакомы с электронными устройствами, которые активируются одним щелчком переключателя, от компьютеров до сотовых телефонов и телевизоров. И вы наверняка видели электричество во вспышке молнии во время сильной грозы.Но вы также, скорее всего, испытали электрические эффекты и другими способами, возможно, не осознавая, что это была электрическая сила. Давайте рассмотрим некоторые из этих действий и посмотрим, что мы можем узнать от них об электрических зарядах и силах.

Открытия

Вы, вероятно, испытали явление статического электричества: когда вы впервые достаете одежду из сушилки, многие (не все) из них имеют тенденцию слипаться; для некоторых тканей их бывает очень трудно отделить. Другой пример происходит, если вы быстро снимаете шерстяной свитер — вы можете почувствовать (и услышать) статическое электричество, тянущее к вашей одежде и, возможно, даже к вашим волосам. Если вы расчесываете волосы в сухой день, а затем поднесете расческу к тонкой струе воды, выходящей из крана, вы обнаружите, что струя воды наклоняется к расческе (притягивается к ней) (рис. 5.2).

Рис. 5.2 Электрически заряженный гребень притягивает струю воды на расстоянии. Обратите внимание, что вода не касается расчески.(кредит: Джейн Уитни)

Предположим, вы подносите гребешок к небольшим полоскам бумаги; полоски бумаги притягиваются к гребенке и даже цепляются за нее (рис. 5.3). На кухне быстро снимите с рулона кусок полиэтиленовой пленки; он будет цепляться за практически любой неметаллический материал (например, пластик, стекло или пищу). Если потереть воздушный шар о стену в течение нескольких секунд, он прилипнет к стене. Вероятно, самый раздражающий эффект статического электричества — это удар дверной ручкой (или другом) после того, как вы шаркаете ногами по некоторым типам коврового покрытия.

Рис. 5.3. После расчесывания волос эта расческа притягивает маленькие полоски бумаги на расстоянии без физического контакта. Исследование этого поведения привело к появлению концепции электрической силы. (кредит: Джейн Уитни)

Многие из этих явлений были известны веками. Древнегреческий философ Фалес Милетский (624–546 до н. Э.) Записал, что когда янтарь (твердую, полупрозрачную, окаменелую смолу вымерших деревьев) энергично натирали куском меха, создавалась сила, которая заставляла мех и янтарь становиться притягиваться друг к другу (рисунок 5.4). Вдобавок он обнаружил, что натертый янтарь не только притягивает мех, а мех притягивает янтарь, но и то, и другое может воздействовать на другие (неметаллические) объекты, даже если они не соприкасаются с ними (рис. 5.5).

Рис. 5.4 Янтарь Борнео добывается в Сабахе, Малайзия, из жил сланцевых песчаников и аргиллитов. Когда кусок янтаря натирают куском меха, янтарь получает больше электронов, что придает ему отрицательный заряд. При этом мех, потеряв электроны, становится положительно заряженным.(кредит: «Sebakoamber» / Wikimedia Commons)

Рис. 5.5 Когда материалы трутся друг о друга, заряды могут быть разделены, особенно если один материал имеет большее сродство к электронам, чем другой. (а) И янтарь, и ткань изначально нейтральны, с одинаковыми положительными и отрицательными зарядами. Речь идет только о крошечной части зарядов, и здесь показаны лишь некоторые из них. (б) При трении друг о друга некоторый отрицательный заряд переносится на янтарь, оставляя ткань с чистым положительным зарядом.(c) После разделения янтарь и ткань теперь имеют чистые заряды, но абсолютные значения чистых положительных и отрицательных зарядов будут равны.

Английский физик Уильям Гилберт (1544–1603) также изучал эту силу притяжения, используя различные вещества. Он работал с янтарем и, кроме того, экспериментировал с горным хрусталем и различными драгоценными и полудрагоценными камнями. Он также экспериментировал с несколькими металлами. Он обнаружил, что металлы никогда не проявляли эту силу, в отличие от минералов.Более того, хотя наэлектризованный янтарный стержень будет притягивать кусок меха, он будет отталкивать другой наэлектризованный янтарный стержень; точно так же два наэлектризованных куска меха будут отталкивать друг друга.

Это говорит о том, что существует два типа электрического свойства; это свойство со временем стало называться электрическим зарядом. Разница между двумя типами электрического заряда заключается в направлениях электрических сил, которые вызывает каждый тип заряда: эти силы являются отталкивающими, когда один и тот же тип заряда существует на двух взаимодействующих объектах, и притягивающими, когда заряды противоположного типа.Единицей электрического заряда в системе СИ является кулон (Кл), в честь французского физика Шарля-Огюстена де Кулона (1736–1806).

Самым необычным аспектом этой новой силы является то, что она не требует физического контакта между двумя объектами, чтобы вызвать ускорение. Это пример так называемой «дальнобойной» силы. (Или, как позже выразился Джеймс Клерк Максвелл, «действие на расстоянии».) За исключением гравитации, все другие силы, которые мы обсуждали до сих пор, действуют только тогда, когда два взаимодействующих объекта действительно соприкасаются.

Американский физик и государственный деятель Бенджамин Франклин обнаружил, что он может концентрировать заряд в «лейденской банке», которая по сути представляла собой стеклянную банку с двумя листами металлической фольги, одним внутри и одним снаружи, со стеклом между ними (рис. 5.6). . Это создало большую электрическую силу между двумя листами фольги.

Рис. 5.6 Лейденская банка (ранняя версия того, что сейчас называется конденсатором) позволяла экспериментаторам накапливать большие количества электрического заряда. Бенджамин Франклин использовал такую ​​банку, чтобы продемонстрировать, что молния ведет себя точно так же, как электричество, которое он получает от оборудования в своей лаборатории.

Франклин указал, что наблюдаемое поведение можно объяснить, если предположить, что один из двух типов заряда остается неподвижным, в то время как другой тип заряда перетекает с одного куска фольги на другой. Далее он предложил называть избыток того, что он назвал этой «электрической жидкостью», «положительным электричеством», а его недостаток — «отрицательным электричеством». Его предложение с небольшими изменениями — это та модель, которую мы используем сегодня. (С экспериментами, которые он смог провести, это было чистое предположение; у него не было возможности фактически определить знак движущегося заряда.К сожалению, он ошибся; Теперь мы знаем, что текущие заряды — это те, которые Франклин назвал отрицательными, а положительные заряды остаются в основном неподвижными. К счастью, как мы увидим, не имеет никакого практического или теоретического значения, какой выбор мы сделаем, пока мы остаемся последовательными в своем выборе.)

Давайте перечислим конкретные наблюдения, которые мы имеем относительно этой электрической силы:

  • Сила действует без физического контакта между двумя объектами.
  • Сила может быть либо притягивающей, либо отталкивающей: если два взаимодействующих объекта несут один и тот же знак заряда, сила отталкивающая; если заряды противоположного знака, сила притягивает.Эти взаимодействия называются соответственно электростатическим отталкиванием и электростатическим притяжением.
  • Эта сила действует не на все объекты.
  • Величина силы уменьшается (быстро) с увеличением расстояния между объектами.

Чтобы быть более точным, мы экспериментально находим, что величина силы уменьшается с увеличением квадрата расстояния между двумя взаимодействующими объектами. Так, например, когда расстояние между двумя взаимодействующими объектами увеличивается вдвое, сила между ними уменьшается до одной четвертой от той, которая была в исходной системе.Мы также можем наблюдать, что окружение заряженных объектов влияет на величину силы. Однако мы рассмотрим этот вопрос в следующей главе.

Свойства электрического заряда

В дополнение к существованию двух типов заряда было обнаружено несколько других свойств заряда.

  • Заряд квантуется. Это означает, что электрический заряд приходит в дискретных количествах, и существует минимально возможное количество заряда, которое может иметь объект. В системе СИ это наименьшее количество eÀ1.602 × 10−19Ce≡1.602 × 10−19C. Никакая свободная частица не может иметь заряда меньше этого, и, следовательно, заряд любого объекта — заряд всех объектов — должен быть целым числом, кратным этой величине. Все макроскопические заряженные объекты имеют заряд, потому что электроны либо добавляются, либо удаляются от них, в результате чего получается общий заряд.
  • Величина заряда не зависит от типа. Другими словами, минимально возможный положительный заряд (до четырех значащих цифр) равен +1,602 × 10−19C + 1.602 · 10−19C, а минимально возможный отрицательный заряд — −1,602 · 10−19C − 1,602 · 10−19C; эти значения в точности равны. Так просто оказались законы физики в нашей Вселенной.
  • Заряд сохраняется. Заряд не может быть ни создан, ни уничтожен; его можно только переносить с места на место, с одного объекта на другой. Часто говорят об «отмене» двух обвинений; это словесная стенография. Это означает, что если два объекта, которые имеют равные и противоположные заряды, физически близки друг к другу, то силы (противоположно направленные), которые они прикладывают к другому заряженному объекту, уравновешиваются, в результате чего результирующая сила равна нулю.Однако важно понимать, что заряды на предметах никоим образом не исчезают. Чистый заряд Вселенной постоянен.
  • Заряд сохраняется в закрытых системах. В принципе, если отрицательный заряд исчезнет с вашего лабораторного стола и снова появится на Луне, сохранение заряда все равно будет сохраняться. Однако этого никогда не происходит. Если общий заряд вашей локальной системы на лабораторном стенде меняется, то в систему или из нее будет поступать измеримый поток заряда.Опять же, заряды могут перемещаться и перемещаются, и их эффекты могут отменяться и действительно отменяются, но чистый заряд в вашей локальной среде (если закрыт) сохраняется. Последние два пункта называются законом сохранения заряда.

Источник зарядов: структура атома

Когда стало ясно, что вся материя состоит из частиц, которые стали называть атомами, также быстро стало ясно, что в состав атома входят как положительно заряженные частицы, так и отрицательно заряженные частицы.Следующий вопрос заключался в том, каковы физические свойства этих электрически заряженных частиц?

Отрицательно заряженная частица была обнаружена первой. В 1897 году английский физик Дж. Дж. Томсон изучал то, что тогда называлось катодными лучами. Несколькими годами ранее английский физик Уильям Крукс показал, что эти «лучи» имеют отрицательный заряд, но его эксперименты не смогли сказать ничего большего. (Тот факт, что они несли отрицательный электрический заряд, был убедительным доказательством того, что это вовсе не лучи, а частицы.Томсон приготовил чистый пучок этих частиц и послал их через скрещенные электрическое и магнитное поля и отрегулировал различные напряженности поля до тех пор, пока суммарное отклонение луча не стало нулевым. С помощью этого эксперимента он смог определить отношение заряда к массе частицы. Это соотношение показало, что масса частицы была намного меньше массы любой другой ранее известной частицы — фактически в 1837 раз меньше. Со временем эту частицу назвали электроном.

Поскольку атом в целом электрически нейтрален, следующий вопрос заключался в том, чтобы определить, как положительные и отрицательные заряды распределяются внутри атома.Сам Томсон воображал, что его электроны заключены в нечто вроде положительно заряженной пасты, размазанной по всему объему атома. Однако в 1908 году новозеландский физик Эрнест Резерфорд показал, что положительные заряды атома существуют в крошечном ядре, называемом ядром, которое занимает лишь очень небольшую часть общего объема атома, но удерживает более 99%. массы. (См. Линейный импульс и столкновения.) Кроме того, он показал, что отрицательно заряженные электроны постоянно вращаются вокруг этого ядра, образуя своего рода электрически заряженное облако, которое окружает ядро ​​(рис. 7). Резерфорд пришел к выводу, что ядро ​​состоит из небольших массивных частиц, которые он назвал протонами.

Рис. 5.7 Эта упрощенная модель атома водорода показывает положительно заряженное ядро ​​(состоящее, в случае водорода, из одного протона), окруженное электронным «облаком». Заряд электронного облака равен (и противоположен по знаку) заряду ядра, но электрон не имеет определенного местоположения в пространстве; следовательно, он представлен здесь в виде облака.Нормальные макроскопические количества вещества содержат огромное количество атомов и молекул и, следовательно, еще большее количество отдельных отрицательных и положительных зарядов.

Поскольку было известно, что разные атомы имеют разные массы и что обычно атомы электрически нейтральны, было естественным предположить, что разные атомы имеют разное количество протонов в своем ядре с одинаковым количеством отрицательно заряженных электронов, вращающихся вокруг положительно заряженных ядро, тем самым делая атомы в целом электрически нейтральными. Однако вскоре было обнаружено, что, хотя у самого легкого атома, водорода, действительно был один протон в качестве ядра, следующий по тяжести атом — гелий — имеет вдвое больше протонов (два), но в четыре раза больше массы водорода.

Эту загадку разрешил в 1932 году английский физик Джеймс Чедвик, открыв нейтрон. Нейтрон, по сути, электрически нейтральный двойник протона, без электрического заряда, но (почти) идентичный массе протона. Таким образом, ядро ​​гелия имеет два нейтрона и два протона.(Более поздние эксперименты должны были показать, что, хотя нейтрон в целом электрически нейтрален, у него действительно есть структура внутреннего заряда. Более того, хотя массы нейтрона и протона почти равны, они не совсем равны: масса нейтрона очень велика. немного больше, чем масса протона. Это небольшое превышение массы оказалось очень важным. Однако это история, которая должна подождать, пока мы не изучим современную физику в области ядерной физики.)

Таким образом, в 1932 году атом представлял собой маленькое массивное ядро, состоящее из комбинации протонов и нейтронов, окруженное совокупностью электронов, совместное движение которых образовывало своего рода отрицательно заряженное «облако» вокруг ядра (рис. 5.8). В электрически нейтральном атоме полный отрицательный заряд совокупности электронов равен полному положительному заряду ядра. Электроны с очень малой массой могут быть более или менее легко удалены или добавлены к атому, изменяя общий заряд атома (хотя и без изменения его типа). Атом, заряд которого был изменен таким образом, называется ионом. У положительных ионов были удалены электроны, тогда как у отрицательных ионов были добавлены избыточные электроны. Мы также используем этот термин для описания молекул, которые не являются электрически нейтральными.

Рис. 5.8 Ядро атома углерода состоит из шести протонов и шести нейтронов. Как и в водороде, окружающие шесть электронов не имеют определенного местоположения и поэтому могут рассматриваться как своего рода облако, окружающее ядро.

Однако история атома на этом не заканчивается. Во второй половине двадцатого века в ядре атома было обнаружено гораздо больше субатомных частиц: пионы, нейтрино и кварки, среди прочих. За исключением фотона, ни одна из этих частиц не имеет прямого отношения к изучению электромагнетизма, поэтому мы откладываем их дальнейшее обсуждение до главы, посвященной физике элементарных частиц (Физика элементарных частиц и космология).

Примечание по терминологии

Как отмечалось ранее, электрический заряд — это свойство, которым может обладать объект. Это похоже на то, как объект может иметь свойство, которое мы называем массой, свойство, которое мы называем плотностью, свойство, которое мы называем температурой, и так далее. Технически мы всегда должны говорить что-то вроде: «Предположим, у нас есть частица, которая несет заряд 3 мкКл 3 мкКл». Однако вместо этого очень часто говорят: «Предположим, у нас есть заряд 3-мкКл-мкКл». Точно так же мы часто говорим что-то вроде: «Шесть зарядов расположены в вершинах правильного шестиугольника.«Заряд — это не частица; скорее, это свойство частицы. Тем не менее, эта терминология чрезвычайно распространена (и часто используется в этой книге, как и везде). Так что не забывайте, что мы на самом деле имеем в виду, когда говорим о «обвинении».

Что такое электрический заряд? | Живая наука

Большая часть электрического заряда переносится электронами и протонами внутри атома. Считается, что электроны несут отрицательный заряд, а протоны несут положительный заряд, хотя эти обозначения совершенно произвольны (подробнее об этом позже).Протоны и электроны притягиваются друг к другу, архетип клише «противоположности притягиваются», согласно веб-сайту HyperPhysics Университета Джорджии. И наоборот, два протона отталкиваются друг от друга, как и два электрона.

Протоны и электроны создают электрические поля, которые создают силу, называемую кулоновской силой, которая распространяется во всех направлениях. По словам Серифа Урана, профессора физики в Питтсбургском государственном университете, электрическое поле излучается наружу от заряженной частицы так же, как свет излучается наружу от электрической лампочки.Так же, как и яркость света, напряженность электрического поля уменьшается пропорционально квадрату расстояния от источника (1 / r 2 ). Если вы отодвинетесь вдвое дальше, сила поля уменьшится до одной четвертой, а если вы переместитесь втрое дальше, поле уменьшится до одной девятой.

Поскольку протоны обычно ограничены ядрами, заключенными внутри атомов, они не могут двигаться так же свободно, как электроны. Поэтому, когда мы говорим об электрическом заряде, мы почти всегда имеем в виду избыток или недостаток электронов.Когда существует дисбаланс зарядов и электроны могут течь, создается электрический ток.

Локализованный и постоянный дефицит или избыток электронов в объекте вызывает статическое электричество. Ток может принимать форму внезапного разряда статического электричества, такого как молния или искра между вашим пальцем и заземленной пластиной выключателя света; устойчивый поток постоянного тока (DC) от батареи или солнечного элемента; или колебательный ток, например, от генератора переменного тока (AC), радиопередатчика или аудиоусилителя.

Электрическая вселенная

Мы обычно не знаем об электрическом заряде, потому что большинство объектов содержат равные количества положительного и отрицательного заряда, которые эффективно нейтрализуют друг друга, по словам Майкла Дубсона, профессора физики из Университета Колорадо в Боулдере. Обычно считается, что чистый заряд Вселенной нейтрален. Если бы соотношение положительного и отрицательного заряда было меньше всего в 10 −40 , кулоновская сила была бы сильнее гравитации, что сделало бы Вселенную совершенно отличной от той, которую мы наблюдаем, сказал Дубсон Live Science.Тем не менее, некоторые исследователи, такие как Майкл Дюрен из Университета Юстуса Либиха в Гиссене в Германии, высказывали предположения о возможности электрически заряженной Вселенной.

Ранние исследования в области электричества

Положительные и отрицательные значения заряда были первоначально присвоены американским государственным деятелем и изобретателем Бенджамином Франклином, который начал изучать электричество в 1742 году. жидкости, одна положительная и одна отрицательная.Однако Франклин убедился, что существует только одна электрическая жидкость и что у объектов может быть избыток или недостаток этой жидкости. Поэтому, согласно данным Университета Аризоны, он изобрел термины «положительный» и «отрицательный» для обозначения избытка или недостатка соответственно.

Единицей измерения электрического заряда является кулон (C), названный в честь Шарля-Огюстена Кулона, французского физика XVIII века. Кулон разработал закон, гласящий, что «одинаковые заряды отталкиваются, а разные заряды притягиваются».«Кулон определяется как количество заряда, переносимого током в один ампер за одну секунду. Хотя это звучит как небольшая величина, согласно HyperPhysics,« два заряда в один кулон, каждый, разделенные метром, будут отталкиваться друг от друга. силой около миллиона тонн! » Инженеры-электрики часто предпочитают использовать для заряда более крупную единицу — ампер-час, который равен 3600 C.

Кулоновская сила — одна из двух фундаментальных сил, заметных в макроскопическом масштабе, вторая — сила тяжести.Однако электрическая сила намного сильнее гравитации. Кулоновская сила отталкивания между двумя протонами из-за их заряда в 4,1 × 10 42 раз сильнее, чем сила притяжения между ними из-за их массы. Это верно на любом расстоянии, поскольку расстояние сокращается с обеих сторон уравнения.

Насколько велико это число? Сравнение величины этих двух сил похоже на сравнение массы Земли с массой одной молекулы пенициллина! Однако гравитация по-прежнему доминирует во Вселенной в больших масштабах, потому что, в отличие от заряда, можно собрать большие количества массы.Большое скопление одинаково заряженных частиц невозможно из-за их взаимного отталкивания и их сродства к разным зарядам.

Другие свойства заряда

Электрический заряд квантуется, что означает, что он возникает в дискретных единицах. Протоны и электроны несут заряды размером ± 1,602 × 10 −19 C. Каждое накопление заряда является четным кратным этому числу, и дробные заряды не могут существовать. Квантовая хромодинамика (КХД) утверждает, что протоны и нейтроны состоят каждый из трех кварков с зарядами +2/3 или -1/3 от единичного заряда протона, и два кварка одного и один другой объединяются, чтобы сформировать частицы с зарядами ноль или +1 единица заряда.

Однако эти частицы не могут существовать отдельно. Всякий раз, когда вы пытаетесь разделить протон или нейтрон на составляющие его кварки, для этого требуется столько энергии, что энергия преобразуется в материю в соответствии со знаменитым уравнением Эйнштейна E = mc 2 , и вместо одного кварка вы в конечном итоге получается нейтрально заряженная пара кварк-антикварк, называемая мезоном. Однако электроны считаются действительно фундаментальными, то есть их нельзя разделить на более мелкие части.

Электрический заряд — это сохраняемая величина.Это означает, что он не может быть создан или разрушен, а чистое количество электрического заряда во Вселенной постоянное и неизменное. Положительные и отрицательные заряды могут нейтрализовать друг друга, или нейтральные частицы могут расщепляться, образуя положительно и отрицательно заряженные пары частиц, но чистое количество заряда всегда остается неизменным.

Дополнительные ресурсы

Обзор | Безграничная физика

Электрический заряд в атоме

Атомы содержат отрицательно заряженные электроны и положительно заряженные протоны; количество каждого из них определяет чистый заряд атома.

Цели обучения

Определите факторы, определяющие чистый заряд атома

Ключевые выводы

Ключевые моменты
  • Протон — положительно заряженная частица, расположенная в ядре атома. Электрон имеет [латекс] \ frac {1} {1836} [/ latex], умноженный на массу протона, но равный и противоположный отрицательный заряд.
  • Элементарный заряд протона или электрона примерно равен 1,6 × 10-19 кулонов.
  • В отличие от протонов, электроны могут перемещаться от атома к атому.Если у атома равное количество протонов и электронов, его суммарный заряд равен 0. Если он получает дополнительный электрон, он становится отрицательно заряженным и известен как анион. Если он теряет электрон, он становится положительно заряженным и известен как катион.
Ключевые термины
  • ядро: массивная положительно заряженная центральная часть атома, состоящая из протонов и нейтронов

Обзор атомных электрических зарядов

Атомы, фундаментальные строительные блоки всех молекул, состоят из трех типов частиц: протонов, нейтронов и электронов. Из этих трех типов субатомных частиц два (протоны и электроны) несут чистый электрический заряд, а нейтроны нейтральны и не имеют чистого заряда.

И протоны, и электроны имеют квантованный заряд. То есть величина их соответствующих зарядов, которые равны друг другу, равна 1. Это стандартное значение равно приблизительно 1,6 × 10 -19 Кулонов.

Протоны

Протонов находятся в центре атома; они вместе с нейтронами составляют ядро.Протоны имеют заряд +1 и массу 1 атомную единицу массы, что примерно равно 1,66 × 10 -24 граммов. Число протонов в атоме определяет идентичность элемента (например, атом с одним протоном — это водород, а атом с двумя протонами — это гелий). Таким образом, протоны относительно стабильны; их количество меняется редко, только в случае радиоактивного распада.

Электронов

Электронов находятся на периферии атома и имеют заряд -1.Они намного меньше протонов; их масса [латекс] \ frac {1} {1836} [/ latex] аму. Обычно при моделировании атомов протоны и нейтроны считаются неподвижными, а электроны движутся в пространстве за пределами ядра подобно облаку. Отрицательно заряженное электронное облако указывает области пространства, где, вероятно, могут быть обнаружены электроны. Структура электронных облаков чрезвычайно сложна и не имеет значения для обсуждения электрического заряда в атоме. Более важным является тот факт, что электроны лабильны; то есть они могут передаваться от одного атома к другому.Атомы заряжаются посредством электронного переноса.

Ионы

В основном состоянии атом будет иметь равное количество протонов и электронов и, таким образом, будет иметь общий заряд 0. Однако, поскольку электроны могут передаваться от одного атома к другому, атомы могут становиться заряженными. Атомы в таком состоянии известны как ионы.

Если нейтральный атом получает электрон, он становится отрицательным. Такой ион называется анионом.

Если нейтральный атом теряет электрон, он становится положительным. Такой ион называется катионом.

Постоянный поток электронов называется током. Ток — это то, что течет по электрическим проводам и питает электронные устройства, от лампочек до телевизоров.

Электрический заряд: краткий обзор атомов, ионов и электрического заряда.

Планетарная модель атома: маленькие электроны вращаются вокруг большого и относительно неподвижного ядра протонов и нейтронов.

Свойства электрических зарядов

Электрический заряд — это фундаментальное физическое свойство материи, имеющее много параллелей с массой.

Цели обучения

Описывать свойства электрического заряда, такие как его релятивистская инвариантность и сохранение в замкнутых системах

Ключевые выводы

Ключевые моменты
  • Заряд измеряется в кулонах (Кл), что соответствует 6,242 × 10 18 э, где е — заряд протона. Заряды могут быть положительными или отрицательными, и, как таковой, единичный протон имеет заряд 1,602 × 10 −19 Кл, в то время как электрон имеет заряд -1.602 × 10 −19 С.
  • Электрический заряд, как и масса, сохраняется. Сила, создаваемая двумя зарядами, имеет ту же форму, что и сила, создаваемая двумя массами, и, как и сила тяжести, сила электрического поля является одновременно консервативной и центральной.
  • Электрический заряд — релятивистский инвариант. То есть заряд (в отличие от массы) не зависит от скорости. В то время как масса частицы будет экспоненциально расти по мере приближения ее скорости к скорости света, заряд останется постоянным.
Ключевые термины
  • кулон: В Международной системе единиц — производная единица электрического заряда; количество электрического заряда, переносимого током в 1 ампер, протекающим в течение 1 секунды.Символ: C
  • .

  • гравитация: Результирующая сила притяжения земных масс на поверхности Земли и центробежная псевдосила, вызванная вращением Земли.
  • электрическое поле: область пространства вокруг заряженной частицы или между двумя напряжениями; он воздействует на заряженные объекты поблизости.

Свойства электрического заряда

Электрический заряд, как и масса и объем, является физическим свойством материи. Единица СИ известна как кулон (C), что соответствует 6.242 × 10 18 e, где e — заряд протона. Начисления могут быть положительными или отрицательными; единичный протон имеет заряд 1,602 × 10 −19 Кл, а электрон имеет заряд -1,602 × 10 −19 Кл.

Инвариантность

Как и масса, электрический заряд в замкнутой системе сохраняется. Пока система непроницаема, количество заряда внутри нее не будет ни увеличиваться, ни уменьшаться; его можно только перенести. Однако электрический заряд отличается от других свойств, таких как масса, тем, что он является релятивистским инвариантом.То есть заряд не зависит от скорости. Масса частицы будет экспоненциально расти по мере приближения ее скорости к скорости света, однако ее заряд останется постоянным.

Независимость электрического заряда от скорости была доказана в эксперименте, в котором было доказано, что одно быстро движущееся ядро ​​гелия (два протона и два нейтрона, связанных вместе) имеет тот же заряд, что и два отдельных медленно движущихся ядра дейтерия (один протон и два нейтрона, связанных вместе). один нейтрон, связанный вместе в каждом ядре).

Притяжение и отталкивание

Электрический заряд — это свойство, которое создает силы, которые могут притягивать или отталкивать материю.2} [/ латекс]

где π и [латекс] \ epsilon_0 [/ latex] — константы. Это известно как закон Кулона.

Закон Кулона: силы (F 1 и F 2 ) суммируются, чтобы произвести общую силу, которая рассчитывается по закону Кулона и пропорциональна произведению зарядов q 1 и q 2 , и обратно пропорционально квадрату расстояния (r 21 ) между ними.

Формула силы тяжести имеет ту же форму, что и закон Кулона, но связывает произведение двух масс (а не зарядов) и использует другую константу. Оба действуют в вакууме и являются центральными (зависят только от расстояния между силами) и консервативными (независимо от пройденного пути). Однако следует отметить, что при сравнении аналогичных терминов взаимодействие на основе заряда существенно больше, чем взаимодействие на основе массы. Например, электрическое отталкивание между двумя электронами примерно в 10 42 раз сильнее их гравитационного притяжения.

Разделение заряда

Разделение зарядов, часто называемое статическим электричеством, представляет собой создание пространства между частицами с противоположными зарядами.

Цели обучения

Определите факторы, которые могут вызвать разделение зарядов

Ключевые выводы

Ключевые моменты
  • Поскольку электроны лабильны (т.е. они могут переноситься от атома к атому), возможно «разделение зарядов». Это явление часто называют статическим электричеством.
  • Разделение зарядов может быть создано за счет трения, давления, тепла и других зарядов.
  • Разделение заряда может достигать критического уровня, когда оно разряжается.Молния — типичный пример.
Ключевые термины
  • разряд: акт высвобождения накопленного заряда
  • статическое электричество: электрический заряд, который накапливается на изолированном теле, часто из-за трения
  • Ядро

  • : массивная положительно заряженная центральная часть атома, состоящая из протонов и нейтронов

Вся материя состоит из атомов, состоящих из отрицательно заряженных электронов и положительно заряженных протонов. В основном состоянии каждый атом имеет нейтральный заряд — его протоны и электроны равны по количеству, и он существует без постоянного диполя.Поскольку электроны лабильны (т.е. они могут переноситься от атома к атому), возможно явление «разделения зарядов» (часто называемое статическим электричеством).

Статическое электричество: из-за трения между ее волосами и пластиковой направляющей девушка слева создала разделение зарядов, в результате чего ее волосы были притянуты к направляющей.

В химии это разделение зарядов иллюстрируется просто переносом электрона от одного атома к другому при образовании ионной связи.В физике есть много других примеров разделения зарядов, которые нельзя описать как формальные химические реакции. Рассмотрим, например, что можно натереть волосы воздушным шариком. Когда вы вытащите воздушный шар, ваши волосы встанут дыбом и «дойдут» до воздушного шара. Это связано с тем, что электроны от одного переходят к другому, в результате чего один становится положительным, а другой — отрицательным. Таким образом, притягиваются противоположные обвинения. Похожий пример можно увидеть на слайдах игровой площадки (как показано на рисунке).

Разделение зарядов может происходить не только за счет трения, но и за счет давления, тепла и других зарядов.И давление, и тепло увеличивают энергию материала и могут заставить электроны вырваться на свободу и отделиться от своих ядер. Между тем заряд может притягивать электроны к ядру или отталкивать их. Например, ближайший отрицательный заряд может «оттолкнуть» электроны от ядра, вокруг которого они обычно вращаются. Разделение зарядов часто происходит в естественном мире. Он может иметь экстремальный эффект, если он достигает критического уровня, когда он разряжается. Молния — типичный пример.

Поляризация

Диэлектрическая поляризация — это явление, возникающее при разделении положительных и отрицательных зарядов в материале.

Цели обучения

Определить два пути возникновения поляризации на молекулярном уровне

Ключевые выводы

Ключевые моменты
  • Диэлектрики — это изоляторы, которые могут поляризоваться электрическим полем. То есть их заряды не могут течь свободно, но их все же можно заставить неравномерно перераспределяться.
  • Электрические поля, приложенные к атомам, отталкивают электроны от поля. В случае полярных молекул их отрицательные концы будут выстраиваться от поля, а положительные концы будут направлены к полю.
  • Мгновенная поляризация возникает, когда ионы в результате естественных случайных колебаний распределяются асимметрично, так что одна область более плотна с одним типом ионов, чем с другим.
Ключевые термины
  • дипольный момент: векторное произведение заряда на любом полюсе диполя на расстояние, разделяющее их.
  • диэлектрик: Электроизоляционный или непроводящий материал, рассматриваемый на предмет его электрической восприимчивости (т. Е. Его свойства поляризации при воздействии внешнего электрического поля).
  • изолятор: Вещество, не пропускающее тепло (теплоизолятор), звук (акустический изолятор) или электричество (электрический изолятор).

Понятие полярности очень широкое и может применяться к молекулам, свету и электрическим полям. Что касается этого атома, мы сосредоточимся на его значении в контексте так называемой диэлектрической поляризации — разделения зарядов в материалах.

Диэлектрики

Диэлектрик — это изолятор, который может поляризоваться электрическим полем, что означает, что это материал, в котором заряд не течет свободно, но в присутствии электрического поля он может изменять распределение заряда. Положительный заряд в диэлектрике будет перемещаться в сторону приложенного поля, а отрицательный заряд удаляться. Это создает слабое локальное поле внутри материала, которое противостоит приложенному полю.

Различные материалы по-разному реагируют на индуцированное поле в зависимости от их диэлектрической проницаемости. Эта константа — степень их поляризуемости (степень, в которой они становятся поляризованными).

Атомная модель

Самый простой взгляд на диэлектрики включает рассмотрение их заряженных компонентов: протонов и электронов.Если к атому приложить электрическое поле, электроны в атоме будут мигрировать прочь от приложенного поля. Однако протоны остаются относительно подверженными воздействию поля. Это разделение создает дипольный момент, как показано на.

.

Реакция атома на приложенное электрическое поле: Когда приложено электрическое поле (E), электроны уносятся прочь от поля. Их среднее положение смещено от среднего положения протонов (которые не переместились) на расстояние d. Дипольный момент атома представлен буквой М.

Дипольная поляризация

На молекулярном уровне поляризация может происходить как с диполями, так и с ионами. В полярных связях электроны больше притягиваются к одному ядру, чем к другому. Одним из примеров дипольной молекулы является вода (H 2 O), которая имеет изогнутую форму (угол HOH составляет 104,45 °) и в которой кислород отталкивает электронную плотность от атомов H, оставляя H относительно положительным и O относительно отрицательный, как показано на.

Молекула воды: вода является примером дипольной молекулы, которая имеет изогнутую форму (угол H-O-H равен 104.45 °), в котором кислород отталкивает электронную плотность от атомов H, оставляя H относительно положительным, а O относительно отрицательным.

Когда диполярная молекула подвергается воздействию электрического поля, молекула выравнивается с полем, причем положительный конец направлен к электрическому полю, а отрицательный конец — от него.

Ионная поляризация

Ионные соединения — это соединения, образованные из ионов с постоянно разделенными зарядами. Например, поваренная соль (NaCl) образуется из ионов Na + и Cl , которые формально не связаны друг с другом химической связью, но очень сильно взаимодействуют из-за их противоположных зарядов.

Ионов все еще свободны друг от друга и, естественно, будут перемещаться случайным образом. Если им случится двигаться асимметричным образом, что приведет к большей концентрации положительных ионов в одной области и большей концентрации отрицательных ионов в другой, образец ионного соединения будет поляризован — явление, известное как ионная поляризация. .

Статическое электричество, заряд и сохранение заряда

Электрический заряд — это физическая собственность, постоянно сохраняемая в количестве; он может накапливаться в материи, которая создает статическое электричество.

Цели обучения

Сформулировать правила, применимые к созданию и уничтожению электрического заряда

Ключевые выводы

Ключевые моменты
  • Электрический заряд — это физическое свойство вещества, создаваемое дисбалансом количества протонов и электронов в веществе.
  • Заряд можно создать или уничтожить. Однако любое создание или удаление заряда происходит при соотношении положительных и отрицательных зарядов 1: 1.
  • Статическое электричество — это когда на поверхности объекта собирается избыток электрического заряда.
Ключевые термины
  • электрический заряд: квантовое число, определяющее электромагнитные взаимодействия некоторых субатомных частиц; по соглашению, электрон имеет электрический заряд -1, а протон +1, а кварки имеют дробный заряд.
  • разряд: акт высвобождения накопленного заряда
  • статическое электричество: электрический заряд, который накапливается на изолированном теле, часто из-за трения

Электрический заряд — это физическое свойство материи.Это вызвано дисбалансом количества протонов и электронов в веществе. Материя заряжена положительно, если в ней больше протонов, чем электронов, и отрицательно, если электронов в ней больше, чем протонов. В обоих случаях заряженные частицы будут испытывать силу в присутствии другого заряженного вещества.

Заряды одного знака (положительный и положительный или отрицательный и отрицательный) будут отталкиваться друг от друга, тогда как заряды противоположного знака (положительный и отрицательный) будут притягиваться друг к другу, как показано на.{18} [/ латекс] элементарные заряды. (Элементарный заряд — это величина заряда протона или электрона.)

Сохранение заряда

Заряд, как и материя, по существу постоянен во Вселенной и во времени. В физике сохранение заряда — это принцип, согласно которому электрический заряд не может быть создан или разрушен. Чистое количество электрического заряда, количество положительного заряда минус количество отрицательного заряда во Вселенной, всегда сохраняется.

Для любого конечного объема закон сохранения заряда (Q) можно записать в виде уравнения неразрывности:

[латекс] \ text {Q} (\ text {t} _2) = \ text {Q} (\ text {t} _1) + \ text {Q} _ {\ text {in}} — \ text {Q } _ {\ text {out}} [/ latex]

, где Q (t 1 ) — это заряд в системе в данный момент времени, Q (t 2 ) — это заряд в той же системе в более позднее время, Q в — это заряд, который вошел в система между двумя временами, и Q out — это количество заряда, которое покинуло систему между двумя временами.

Это не означает, что отдельные положительные и отрицательные заряды не могут быть созданы или уничтожены. Электрический заряд переносится субатомными частицами, такими как электроны и протоны, которые могут быть созданы и разрушены. Например, при уничтожении частиц уничтожается равное количество положительных и отрицательных зарядов, при этом чистая величина заряда остается неизменной.

Статическое электричество

Статическое электричество — это накопление избыточного электрического заряда на поверхности объекта.Это может быть связано с контактом материалов, повышением давления или тепла или наличием заряда. Статическое электричество также может быть создано за счет трения между воздушным шаром (или другим объектом) и человеческими волосами (см.). Его можно наблюдать в грозовых облаках в результате повышения давления; молния (см.) — разряд, возникающий после того, как заряд превышает критическую концентрацию.

Статическое электричество: из-за трения между ее волосами и пластиковой направляющей девушка слева создала разделение зарядов, в результате чего ее волосы были притянуты к направляющей.

Молния: Молния является ярким естественным примером статического разряда.

Проводники и изоляторы

По способности проводить ток материалы делятся на проводники и изоляторы.

Цели обучения

Определить проводники и изоляторы среди обычных материалов

Ключевые выводы

Ключевые моменты
  • Удельное сопротивление, физическое свойство, которое измеряет способность материала проводить ток, является основным фактором при определении того, является ли вещество проводником или изолятором.
  • Проводники содержат электрические заряды, которые при воздействии разности потенциалов перемещаются к одному или другому полюсу. Этот поток заряда представляет собой электрический ток.
  • Изоляторы — это материалы, в которых внутренний заряд не может свободно течь и, следовательно, не может проводить электрический ток в значительной степени под воздействием электрического поля.
Ключевые термины
  • проводник: Материал, содержащий подвижные электрические заряды.
  • изолятор: Вещество, не пропускающее тепло (теплоизолятор), звук (акустический изолятор) или электричество (электрический изолятор).
  • удельное сопротивление: В общем, сопротивление материала электрическому току; в частности, степень сопротивления материала потоку электричества.

Обзор

Все материалы можно разделить на изоляторы или проводники на основе физического свойства, известного как удельное сопротивление.

Изолятор — это материал, в котором под действием электрического поля электрические заряды не текут свободно — он имеет высокое сопротивление. И наоборот, проводник — это материал, который пропускает электрические заряды в одном или нескольких направлениях — его удельное сопротивление низкое.

Проводники

Все проводники содержат электрические заряды, которые при воздействии разности потенциалов перемещаются к одному или другому полюсу. Положительные заряды в проводнике будут перемещаться к отрицательному концу разности потенциалов; отрицательные заряды в материале будут двигаться к положительному концу разности потенциалов. Этот поток заряда представляет собой электрический ток.

Ионные вещества и растворы могут проводить электричество, но наиболее распространенными и эффективными проводниками являются металлы.Медь обычно используется в проводах из-за ее высокой проводимости и относительно невысокой цены. Однако позолоченные провода иногда используются в случаях, когда необходима особенно высокая проводимость.

У каждого проводника есть предел допустимой токовой нагрузки или величины тока, который он может проводить. Обычно это ток, при котором тепло, выделяемое из-за сопротивления, плавит материал.

Изоляторы

Изоляторы

— это материалы, в которых внутренний заряд не может свободно течь и, следовательно, не может проводить электрический ток в значительной степени под воздействием электрического поля.

Хотя идеального изолятора с бесконечным удельным сопротивлением не существует, такие материалы, как стекло, бумага и тефлон, обладают очень высоким удельным сопротивлением и в большинстве случаев могут эффективно служить изоляторами.

Так же, как проводники используются для передачи электрического тока по проводам, изоляторы обычно используются в качестве покрытия для проводов.

Изоляторы, как и проводники, имеют свои физические ограничения. Под воздействием достаточного напряжения изолятор испытает так называемый электрический пробой, при котором ток внезапно проникает через материал, когда он становится проводником.

Проводник и изолятор в проводе: Этот провод состоит из медной жилы (проводник) и покрытия из полиэтилена (изолятор). Медь пропускает ток через провод, а полиэтилен гарантирует, что ток не уйдет.

Эксперимент Милликена с каплей нефти

В 1911 году Роберт Милликен с помощью заряженных капель масла смог определить заряд электрона.

Цели обучения

Объясните разницу в значении реального заряда электрона и заряда, измеренного Робертом Милликеном

Ключевые выводы

Ключевые моменты
  • Эксперимент с каплей масла включал ионизирующие капли масла, когда они падали через воздух, и уравновешивание силы тяжести с силой электрического поля, приложенного электродами над и под каплей.
  • Милликен не мог напрямую подсчитать количество электронов на каждой капле масла, но обнаружил, что общий знаменатель между всеми измеренными зарядами равен 1,5924 (17) × 10 −19 C, и, таким образом, пришел к выводу, что это значение является зарядом электрон.
  • Измеренное значение заряда электрона 1,5924 (17) × 10 −19 Кл отличается от принятого значения 1,602176487 (40) × 10 −19 Кл менее чем на один процент.
Ключевые термины
  • напряжение: величина электростатического потенциала между двумя точками в пространстве.
  • предельная скорость: Скорость, с которой объект в свободном падении, а не в вакууме, перестает ускоряться вниз, потому что сила тяжести равна силе сопротивления, действующей против него, и противоположна ей.
  • электрическое поле: область пространства вокруг заряженной частицы или между двумя напряжениями; он воздействует на заряженные объекты поблизости.

Эксперимент с каплей нефти

Эксперимент с каплей нефти, также известный как эксперимент Милликена с каплей нефти, является одним из самых влиятельных исследований в истории физической науки.

Эксперимент, проведенный Робертом Милликеном и Харви Флетчером в 1911 году, был разработан для определения заряда отдельного электрона, также известного как элементарный электрический заряд.

Милликен разработал свой эксперимент для измерения силы, действующей на масляные капли между двумя электродами.

Он использовал распылитель, чтобы распылить туман из крошечных капелек масла в камеру, в которой было отверстие. Некоторые капли падали через это отверстие в камеру, где он измерял их конечную скорость и вычислял их массу.

Милликен затем подвергал капли рентгеновскому излучению, которое ионизировало молекулы в воздухе и заставляло электроны присоединяться к каплям масла, тем самым делая их заряженными. Верх и низ камеры были прикреплены к батарее, и разность потенциалов между верхом и низом создавала электрическое поле, которое действовало на заряженные капли масла.

Прекрасно регулируя напряжение, Милликен смог уравновесить силу тяжести (которая была направлена ​​вниз) с силой электрического поля, действующей на заряженные частицы (которое было приложено вверх), в результате чего капли масла зависли в воздухе. .

Упрощенная схема эксперимента Милликена с каплей масла: Этот прибор имеет параллельную пару горизонтальных металлических пластин. Между ними создается однородное электрическое поле. Кольцо имеет три отверстия для освещения и одно для просмотра в микроскоп. В камеру распыляется специальное масло для вакуумного аппарата, в котором капли приобретают электрический заряд. Капли попадают в пространство между пластинами, и ими можно управлять, изменяя напряжение на пластинах.

Затем

Милликен рассчитал заряд частиц, взвешенных в воздухе.2), а также энергию рентгеновских лучей, которые он использовал, он смог вычислить заряд.

Хотя заряд каждой капли был неизвестен, Милликен отрегулировал силу рентгеновского излучения, ионизирующего воздух, и измерил множество значений (q) от множества различных капель масла. В каждом случае измеренный заряд был кратен 1,5924 (17) × 10 −19 C. Таким образом, был сделан вывод, что элементарный электрический заряд составлял 1,5924 (17) × 10 −19 C.

Результаты были очень точными.Расчетное значение из эксперимента с каплей масла отличается менее чем на один процент от текущего принятого значения 1,602176487 (40) × 10 −19 C.

Эксперимент с масляной каплей оказал огромное влияние не только на определение заряда электрона, но и на то, что помог доказать существование частиц, меньших, чем атомы. В то время не было полностью признано, что протоны, нейтроны и электроны существуют.

Что такое заряд (электрический заряд)?

В физике заряд, также известный как электрический заряд, электрический заряд или электростатический заряд и обозначаемый символом q, является характеристикой единицы вещества, которая выражает степень, в которой у нее больше или меньше электронов, чем протонов.В атомах электрон несет отрицательный элементарный или единичный заряд; протон несет положительный заряд. Эти два типа заряда равны и противоположны.

В атоме вещества электрический заряд возникает всякий раз, когда количество протонов в ядре отличается от количества электронов, окружающих это ядро. Если электронов больше, чем протонов, атом имеет отрицательный заряд. Если электронов меньше, чем протонов, атом имеет положительный заряд. Количество заряда, переносимого атомом, всегда кратно элементарному заряду, то есть заряду, переносимому одним электроном или одним протоном.Говорят, что частица, атом или объект с отрицательным зарядом имеют отрицательную электрическую полярность; считается, что частица, атом или объект с положительным зарядом имеют положительную электрическую полярность.

В объекте, состоящем из многих атомов, чистый заряд равен арифметической сумме зарядов всех атомов вместе взятых с учетом полярности. В массивном образце это может составлять большое количество элементарных зарядов. Единицей электрического заряда в Международной системе единиц является кулон (обозначенный буквой C), где 1 C равен примерно 6.24 x 10 18 элементарных зарядов. В реальных объектах нет ничего необычного в том, что они содержат множество кулонов.

Электрическое поле, также называемое электрическим полем или электростатическим полем, окружает любой заряженный объект. Напряженность электрического поля на любом заданном расстоянии от объекта прямо пропорциональна количеству заряда на объекте. Вблизи любого объекта, имеющего фиксированный электрический заряд, напряженность электрического поля уменьшается пропорционально квадрату расстояния от объекта (то есть подчиняется закону обратных квадратов).

Когда два объекта, обладающие электрическим зарядом, подносятся друг к другу, между ними возникает электростатическая сила. (Эту силу не следует путать с электродвижущей силой, также известной как напряжение.) Если электрические заряды имеют одинаковую полярность, электростатическая сила является отталкивающей. Если электрические заряды имеют противоположную полярность, электростатическая сила притягивается. В свободном пространстве (в вакууме), если заряды двух соседних объектов в кулонах равны q 1 и q 2 и центры объектов разделены расстоянием r в метрах, результирующая сила F между объектами , в ньютонах, определяется по следующей формуле:

F = (q 1 q 2 ) / (4 o r 2 )

, где o — диэлектрическая проницаемость свободного пространства, физическая константа, и — отношение длины окружности к ее диаметру, безразмерная математическая константа. Положительная результирующая сила отталкивает, а отрицательная результирующая сила притягивает. Это соотношение известно как закон Кулона.

Электрическое поле и движение заряда

Возможно, одним из самых полезных, но само собой разумеющихся достижений последних веков является разработка электрических цепей. Поток заряда по проводам позволяет нам готовить пищу, освещать дома, кондиционировать рабочее и жилое пространство, развлекать нас фильмами и музыкой и даже позволяет нам безопасно ездить на работу или в школу.В этом разделе Физического класса мы исследуем причины, по которым заряд течет по проводам электрических цепей, и переменные, которые влияют на скорость, с которой он течет. Средства, с помощью которых движущийся заряд передает электрическую энергию приборам для их работы, будут подробно рассмотрены.

Один из фундаментальных принципов, который необходимо понять, чтобы понять электрические цепи, относится к концепции того, как электрическое поле может влиять на заряд внутри цепи, когда он перемещается из одного места в другое. Понятие электрического поля было впервые представлено в разделе Статическое электричество. В этом блоке электрическая сила описывалась как бесконтактная сила. Заряженный воздушный шар может оказывать притягивающее воздействие на противоположно заряженный воздушный шар, даже когда они не находятся в контакте. Электрическая сила действует на расстоянии, разделяющем два объекта. Электрическая сила — это сила, действующая на расстоянии.

Силы действия на расстоянии иногда называют полевыми силами. Ученые используют концепцию силового поля для объяснения этого довольно необычного силового явления, которое происходит при отсутствии физического контакта.На пространство, окружающее заряженный объект, влияет наличие заряда; в этом пространстве устанавливается электрическое поле. Заряженный объект создает электрическое поле — изменение пространства или поля в окружающей его области. Другие заряды в этой области почувствовали бы необычное изменение пространства. Независимо от того, входит заряженный объект в это пространство или нет, электрическое поле существует. Пространство изменяется присутствием заряженного объекта; другие объекты в этом пространстве испытывают странные и таинственные качества космоса.По мере того, как другой заряженный объект входит в пространство и продвигается все глубже и глубже в поле, действие поля становится все более и более заметным.

Электрическое поле — это векторная величина, направление которой определяется как направление, в котором положительный тестовый заряд будет выдаваться при помещении в поле. Таким образом, направление электрического поля около положительного заряда источника всегда направлено от положительного источника. И направление электрического поля около отрицательного заряда источника всегда направлено в сторону отрицательного источника.

Электрическое поле, работа и потенциальная энергия

Электрические поля подобны гравитационным полям — оба связаны с силами, действующими на расстоянии. В случае гравитационных полей источником поля является массивный объект, а силы действия на расстоянии действуют на другие массы. Когда концепция силы тяжести и энергии обсуждалась в Блоке 5 Класса физики, было упомянуто, что сила тяжести является внутренней или консервативной силой.Когда гравитация воздействует на объект, перемещая его с высокого места на более низкое, общее количество механической энергии объекта сохраняется. Однако во время падающего движения произошла потеря потенциальной энергии (и увеличение кинетической энергии). Когда гравитация действительно воздействует на объект, перемещая его в направлении гравитационного поля, объект теряет потенциальную энергию. Потенциальная энергия, изначально запасенная внутри объекта в результате его вертикального положения, теряется, когда объект движется под действием гравитационного поля.С другой стороны, для перемещения массивного объекта против его гравитационного поля потребуется энергия. Стационарный объект не может естественно двигаться против поля и получать потенциальную энергию. Энергия в форме работы должна быть передана объекту внешней силой, чтобы он достиг этой высоты и соответствующей потенциальной энергии.

Важный момент, который следует сделать из этой аналогии с гравитацией, заключается в том, что внешняя сила должна совершать работу, чтобы переместить объект против природы — от энергии с низким потенциалом к ​​энергии с высоким потенциалом.С другой стороны, объекты естественным образом переходят от энергии с высоким потенциалом к ​​энергии с низким потенциалом под действием силы поля. Для объектов просто естественно переходить от высокой энергии к низкой; но требуется работа, чтобы переместить объект с низкой энергии на высокую.

Аналогичным образом, чтобы переместить заряд в электрическом поле против его естественного направления движения, потребуется работа. Работа внешней силы, в свою очередь, добавит объекту потенциальной энергии.Естественное направление движения объекта — от высокой энергии к низкой энергии; но нужно работать, чтобы сдвинуть объект против природы. С другой стороны, не потребуется работы, чтобы переместить объект из места с высоким потенциалом энергии в место с низким потенциалом энергии. Когда этот принцип логически распространяется на движение заряда в электрическом поле, связь между работой, энергией и направлением движения заряда становится более очевидной.

Рассмотрим диаграмму выше, на которой положительный заряд источника создает электрическое поле, а положительный тестовый заряд движется против поля и вместе с ним.На диаграмме A положительный тестовый заряд перемещается против поля из точки A в точку B. Перемещение заряда в этом направлении было бы подобно движению против природы. Таким образом, потребуется работа, чтобы переместить объект из местоположения A в местоположение B, и положительный тестовый заряд будет приобретать потенциальную энергию в процессе. Это было бы аналогично перемещению массы в восходящем направлении; потребовалась бы работа, чтобы вызвать такое увеличение потенциальной энергии гравитации. На схеме B положительный тестовый заряд перемещается вместе с полем из точки B в точку A.Это движение было бы естественным и не требовало бы работы внешней силы. Положительный тестовый заряд будет терять энергию при перемещении из точки B в точку A. Это будет аналогично падению массы вниз; это произойдет естественным образом и будет сопровождаться потерей гравитационной потенциальной энергии. Из этого обсуждения можно сделать вывод, что место с высокой энергией для положительного тестового заряда — это место, ближайшее к положительному исходному заряду; а место с низким энергопотреблением находится дальше всего.

Вышеупомянутое обсуждение относилось к перемещению положительного тестового заряда в электрическом поле, созданном положительным зарядом источника.Теперь рассмотрим движение того же положительного пробного заряда в электрическом поле, создаваемом отрицательным зарядом источника. Тот же принцип в отношении работы и потенциальной энергии будет использоваться для определения местоположений высокой и низкой энергии.

На схеме C положительный тестовый заряд движется из точки A в точку B в направлении электрического поля. Это движение было бы естественным — как масса, падающая на Землю. Для того, чтобы вызвать такое движение, не потребуется работа, и это будет сопровождаться потерей потенциальной энергии.На схеме D положительный тестовый заряд движется из точки B в точку A против электрического поля. Потребуется работа, чтобы вызвать это движение; это было бы аналогично увеличению массы в гравитационном поле Земли. Поскольку энергия передается испытательному заряду в виде работы, положительный испытательный заряд будет приобретать потенциальную энергию в результате движения. Из этого обсуждения можно сделать вывод, что место с низкой энергией для положительного тестового заряда — это место, ближайшее к отрицательному заряду источника, а место с высокой энергией — это место, наиболее удаленное от отрицательного заряда источника.

Когда мы начнем обсуждать схемы, мы применим эти принципы, касающиеся работы и потенциальной энергии, к движению заряда по цепи. Как мы здесь рассуждали, перемещение положительного тестового заряда против электрического поля потребует работы и приведет к увеличению потенциальной энергии. С другой стороны, положительный тестовый заряд будет естественным образом перемещаться в направлении поля без необходимости работы с ним; это движение приведет к потере потенциальной энергии.Прежде чем применять это к электрическим цепям, нам нужно сначала изучить значение концепции электрического потенциала.

Как рассчитать электрический заряд

Обновлено 17 сентября 2019 г.

Автор С. Хуссейн Атер

Будь то статическое электричество, исходящее от пушистой шерсти, или электричество, от которого питаются телевизоры, вы можете узнать больше об электрическом заряде, изучив лежащая в основе физика.Методы расчета заряда зависят от природы самого электричества, например, принципов распределения заряда по объектам. Эти принципы одинаковы, независимо от того, где вы находитесь во Вселенной, поэтому электрический заряд является фундаментальным свойством самой науки.

Формула электрического заряда

Существует множество способов расчета электрического заряда для различных контекстов в физике и электротехнике.

Закон Кулона обычно используется при вычислении силы, создаваемой частицами, несущими электрический заряд, и является одним из наиболее распространенных уравнений электрического заряда, которые вы будете использовать.2}

, в котором k — постоянная k = 9,0 × 10 9 Нм 2 / C 2 . Физики и инженеры иногда используют переменную e для обозначения заряда электрона.

Обратите внимание, что для зарядов противоположных знаков (плюс и минус) сила отрицательная и, следовательно, притягивающая между двумя зарядами. Для двух зарядов одного знака (плюс и плюс или минус и минус) сила отталкивающая. Чем больше заряды, тем сильнее сила притяжения или отталкивания между ними.

Электрический заряд и гравитация: сходство

Закон Кулона поразительно похож на закон Ньютона для гравитационной силы F G = G м 1 м 2 / r 2 для гравитационной силы F G , массы m 1 и м 2 , а гравитационная постоянная G = 6,674 × 10 −11 м 3 / кг с 2 . Оба они измеряют разные силы, изменяются с большей массой или зарядом и зависят от радиуса между обоими объектами во второй степени.Несмотря на сходство, важно помнить, что гравитационные силы всегда притягивают, в то время как электрические силы могут быть притягивающими или отталкивающими.

Следует также отметить, что электрическая сила обычно намного сильнее гравитации, исходя из различий в экспоненциальной мощности констант законов. Сходство между этими двумя законами является еще большим свидетельством симметрии и закономерностей среди общих законов Вселенной.

Сохранение электрического заряда

Если система остается изолированной (т.е.е. без контакта с чем-либо, кроме него), он сохранит заряд. Сохранение заряда означает, что общее количество электрического заряда (положительный заряд минус отрицательный заряд) остается неизменным для системы. Сохранение заряда позволяет физикам и инженерам вычислять, сколько заряда перемещается между системами и их окружением.

Этот принцип позволяет ученым и инженерам создавать клетки Фарадея, в которых используются металлические экраны или покрытия для предотвращения утечки заряда. Клетки Фарадея или щиты Фарадея используют тенденцию электрического поля перераспределять заряды внутри материала, чтобы нейтрализовать действие поля и предотвратить повреждение или проникновение зарядов внутрь.Они используются в медицинском оборудовании, таком как аппараты магнитно-резонансной томографии, для предотвращения искажения данных, а также в защитном снаряжении для электриков и монтажников, работающих в опасных средах.

Вы можете рассчитать чистый поток начислений для объема пространства, вычислив общую сумму вводимых затрат и вычитая общую сумму оставленных затрат. Благодаря электронам и протонам, несущим заряд, заряженные частицы могут создаваться или разрушаться, чтобы уравновесить себя в соответствии с законом сохранения заряда.

Число электронов в заряде

Зная, что заряд электрона равен -1,602 × 10 −19 Кл, заряд −8 × 10 −18 Кл будет состоять из 50 электронов. Вы можете найти это, разделив количество электрического заряда на величину заряда отдельного электрона.

Расчет электрического заряда в цепях

Если вам известен электрический ток, поток электрического заряда через объект, протекающий по цепи и продолжительность действия тока, вы можете рассчитать электрический заряд, используя уравнение для тока Q = It где Q — общий заряд, измеренный в кулонах, I — ток в амперах, а t — время приложения тока в секундах.Вы также можете использовать закон Ома (V = IR) для расчета тока по напряжению и сопротивлению.

Для цепи с напряжением 3 В и сопротивлением 5 Ом, приложенной в течение 10 секунд, соответствующий результат будет равен I = V / R = 3 В / 5 Ом = 0,6 А, а общий заряд будет Q = It. = 0,6 A × 10 с = 6 C.

Если вам известна разность потенциалов (В) в вольтах, приложенная к цепи, и работа (Вт) в джоулях, выполненная за период ее приложения, заряд в кулонах, Q = Вт / В.

Формула электрического поля

••• Syed Hussain Ather

Электрическое поле, электрическая сила на единицу заряда, распространяется радиально наружу от положительных зарядов к отрицательным зарядам и может быть рассчитано с помощью E = F E / q, в котором F E — электрическая сила, а q — заряд, создающий электрическое поле. Учитывая, насколько фундаментальными являются поле и сила для вычислений в электричестве и магнетизме, электрический заряд можно определить как свойство вещества, которое заставляет частицу иметь силу в присутствии электрического поля.

Даже если общий или общий заряд объекта равен нулю, электрические поля позволяют различным образом распределять заряды внутри объектов. Если внутри них есть распределения заряда, которые приводят к ненулевому чистому заряду, эти объекты поляризованы, и заряд, который вызывают эти поляризации, известен как связанные заряды.

Чистый заряд Вселенной

Хотя ученые не все согласны с тем, каков общий заряд Вселенной, они сделали обоснованные предположения и проверили гипотезы с помощью различных методов.Вы можете заметить, что гравитация является доминирующей силой во Вселенной в космологическом масштабе, и, поскольку электромагнитная сила намного сильнее гравитационной силы, если бы у Вселенной был чистый заряд (положительный или отрицательный), вы бы были возможность видеть доказательства этого на таких огромных расстояниях. Отсутствие этих доказательств привело исследователей к мысли, что Вселенная заряжена нейтрально.

Всегда ли Вселенная была нейтральной по заряду или как заряд Вселенной изменился после Большого взрыва, также являются вопросами, которые вызывают споры.Если бы у Вселенной был чистый заряд, то ученые могли бы измерить их тенденции и влияние на все силовые линии электрического поля таким образом, чтобы вместо того, чтобы соединять положительные заряды с отрицательными, они никогда не закончились бы. Отсутствие этого наблюдения также указывает на аргумент, что у Вселенной нет чистого заряда.

Расчет электрического потока с зарядом

••• Syed Hussain Ather

Электрический поток через плоскую (то есть плоскую) область A электрического поля E — это поле, умноженное на компонент площади, перпендикулярной полю.Чтобы получить этот перпендикулярный компонент, вы используете косинус угла между полем и интересующей плоскостью в формуле для потока, представленный как Φ = EA cos (θ), где θ — угол между линией, перпендикулярной площади, и направление электрического поля.

Это уравнение, известное как закон Гаусса, также говорит вам, что для таких поверхностей, которые вы называете гауссовыми поверхностями, любой суммарный заряд будет находиться на ее поверхности плоскости, потому что необходимо создать электрическое поле.

Поскольку это зависит от геометрии площади поверхности, используемой при расчете потока, она меняется в зависимости от формы. Для круглой области площадь потока A будет π_r_ 2 с r в качестве радиуса круга, или для криволинейной поверхности цилиндра площадь потока будет Ch, в которой C — длина окружности круглая грань цилиндра, h — высота цилиндра.

Заряд и статическое электричество

Статическое электричество возникает, когда два объекта не находятся в электрическом равновесии (или электростатическом равновесии), или когда существует чистый поток зарядов от одного объекта к другому.Когда материалы трутся друг о друга, они переносят заряды друг на друга. Эти виды электричества могут генерироваться при натирании носков о ковер или резинкой надутого воздушного шара о волосы. Шок переносит эти избыточные заряды обратно, чтобы восстановить состояние равновесия.

Электрические проводники

Для проводника (материала, передающего электричество), находящегося в электростатическом равновесии, электрическое поле внутри равно нулю, а общий заряд на его поверхности должен оставаться в электростатическом равновесии.Это потому, что, если бы было поле, электроны в проводнике перераспределялись бы или перестраивались в ответ на поле. Таким образом, они отменили бы любое поле в момент его создания.

Алюминий и медная проволока — это обычные проводящие материалы, используемые для передачи токов, также часто используются ионные проводники, которые представляют собой решения, в которых используются свободно плавающие ионы, позволяющие легко проходить заряду. Полупроводники, такие как микросхемы, которые позволяют компьютерам функционировать, также используют свободно циркулирующие электроны, но не так много, как проводники.Полупроводники, такие как кремний и германий, также требуют больше энергии для циркуляции зарядов и обычно имеют низкую проводимость. Напротив, изоляторы, такие как дерево, не пропускают заряд через себя.

При отсутствии поля внутри для гауссовой поверхности, лежащей непосредственно внутри поверхности проводника, поле должно быть везде нулевым, чтобы поток был равен нулю. Это означает, что внутри проводника нет чистого электрического заряда. Из этого вы можете сделать вывод, что для симметричных геометрических структур, таких как сферы, заряд равномерно распределяется по поверхности гауссовой поверхности.

Закон Гаусса в других ситуациях

Поскольку чистый заряд на поверхности должен оставаться в электростатическом равновесии, любое электрическое поле должно быть перпендикулярно поверхности проводника, чтобы материал мог передавать заряды. Закон Гаусса позволяет вычислить величину этого электрического поля и магнитного потока для проводника. Электрическое поле внутри проводника должно быть нулевым, а снаружи оно должно быть перпендикулярно поверхности.

Это означает, что для цилиндрического проводника с полем, излучаемым от стенок под перпендикулярным углом, полный поток равен просто 2_E__πr_ 2 для электрического поля E и радиуса r круглой поверхности цилиндрического проводника.Вы также можете описать чистый заряд на поверхности, используя σ, плотность заряда на единицу площади, умноженную на площадь.

Электрический заряд и ток — краткая история

Заряд

Электричество и магнетизм

Электрический заряд и ток — краткая история

Руководство для преподавателей
для 14-16

Электрические явления возникают в результате фундаментального свойства материи: электрического заряда.Атомы, из которых состоит большая часть материи, с которой мы сталкиваемся, содержат заряженные частицы. Протоны и электроны имеют по одной единице заряда, но противоположного знака. Атомы обычно нейтральны, потому что количество электронов и протонов одинаково.

Электрические заряды в состоянии покоя известны гораздо дольше, чем электрические токи.

Эффект янтаря

Свойство, которое сейчас называется статическим электричеством , было известно философам Древней Греции. На самом деле слово «электричество» происходит от «электрон», греческого названия янтаря.Янтарь — это смолистый минерал, используемый для изготовления украшений. Вероятно, небольшие волокна одежды цеплялись за янтарь, и их было довольно трудно удалить. Попытка стереть волокна только усугубила ситуацию, заставив ранних философов задуматься, почему.

Уильям Гилберт упомянул об эффекте янтаря в своей новаторской книге «О магнетизме», опубликованной в 1600 году. Он заметил, что притяжение между электрическими элементами было намного слабее, чем магнетизм, и ошибочно сказал, что электричество никогда не отталкивается.

Бенджамин Франклин

Требовался гигантский скачок в понимании, чтобы объяснить подобные наблюдения с точки зрения положительного и отрицательного электрического заряда. В 18 веке Бенджамин Франклин в Америке пробовал эксперименты с зарядами. Франклин назвал два вида электричества «положительным» и «отрицательным». Он даже собирал электрические заряды из грозовых облаков через мокрую веревку от воздушного змея.

Франклин был сторонником модели электрического заряда «единой жидкости».У объекта с избытком жидкости будет один заряд; объект с дефицитом жидкости будет иметь противоположный заряд. Другие ученые отстаивали теорию «двух жидкостей», в которой движутся отдельные положительные и отрицательные жидкости. Потребовалось более века, чтобы дебаты перешли на сторону Франклина.

Интересно отметить, что Франклин придумал несколько электрических терминов, которые мы используем до сих пор: батарея, заряд, проводник, плюс, минус, положительно, отрицательно, конденсатор (= конденсатор) и другие.

Электрические токи

Электрические токи не были полностью исследованы до изобретения батарей примерно в 1800 году. Прохождение токов через солевые растворы свидетельствует о том, что существует два типа носителей заряда: положительные и отрицательные. Носителями заряда, которые выкипают из раскаленных добела металлов, являются отрицательные электроны, а движение электронов создает ток в холодном металлическом проводе.

Какое-то время электрические токи казались настолько отличными от электрических зарядов в состоянии покоя, что их изучали отдельно.Казалось, что существует четыре вида электричества: положительные и отрицательные электростатические заряды, а также положительные и отрицательные движущиеся заряды в токах. Теперь ученые знают лучше. Есть только два вида сил, положительные и отрицательные, которые действуют одинаково, независимо от того, были ли они «электростатическими зарядами от трения» или «движущимися зарядами от источников питания».

Современный взгляд

Электрические силы — это то, что удерживает вместе атомы и молекулы, твердые тела и жидкости. При столкновении объектов электрические силы раздвигают их.

Сегодня мы понимаем, что электроны могут переноситься, когда два разных материала контактируют друг с другом, а затем разделяются. Вы можете перечислить материалы по порядку, от тех, которые «с наибольшей вероятностью потеряют электроны» (получат положительный заряд), до «те, которые с наибольшей вероятностью получат электроны» (получат отрицательный заряд). Это называется трибоэлектрической серией .

.