Sva tijela svijeta oko nas sastoje se od dvije vrste stabilnih čestica – pozitivno nabijenih protona i elektrona sa istim negativnim nabojem e. Broj elektrona jednak je broju protona. Stoga je svemir električno neutralan.

Pošto elektron i proton nikada ( barem u posljednjih 14 milijardi godina) ne propadaju, tada Univerzum ne može narušiti svoju neutralnost bilo kakvim ljudskim uticajima. Sva tijela su također obično električno neutralna, odnosno sadrže isti broj elektrona i protona.

Da bi tijelo bilo nabijeno, potrebno je iz njega ukloniti, prenijeti ga na drugo tijelo, ili mu dodati, uzimajući iz drugog tijela, određeni broj N elektrona ili protona. Naboj tijela će postati jednak Ne. Istovremeno, potrebno je zapamtiti ono što se obično zaboravlja) da se isti naboj suprotnog predznaka (Ne) neminovno formira na drugom tijelu (ili tijelima). Trljanjem ebonitnog štapa o vunu punimo ne samo ebonit, već i vunu, prenoseći dio elektrona s jednog na drugi.

Tvrdnja o privlačenju dvaju tijela sa istim suprotnim nabojem prema principima provjere i falsifikovanja je naučna, jer se u principu može eksperimentalno potvrditi ili opovrgnuti. Ovdje se eksperiment može izvesti čisto, bez uključivanja trećih tijela, jednostavnim prijenosom dijela elektrona ili protona iz jednog eksperimentalno tijelo drugome.

Sa tvrdnjom o odbijanju sličnih naboja je sasvim druga slika. Činjenica je da samo dva, na primjer, pozitivan, naboj q1, q2 za eksperiment ne može se kreirati, jer kada pokušavate da ih kreirate, to je uvek neizbežno pojavljuje se treći, negativni naboj q3 = -(qi + q2). Dakle, ne dva, i tri optužbe. U principu, nemoguće je provesti eksperiment s dva slična naboja.

Stoga je nenaučna Coulombova izjava o odbijanju sličnih naboja prema pomenutim principima.

Iz istog razloga, eksperiment sa dva naelektrisanja različitih predznaka q1, - q2 je takođe nemoguć, ako ta naelektrisanja nisu međusobno jednaka. Ovdje se neizbježno pojavljuje treći naboj q3 = q1 - q2, koji učestvuje u interakciji i utiče na rezultujuću silu.

Prisustvo trećeg naboja je zaboravljeno i ne uzima se u obzir od strane slepih pristalica Kulona. Dva tijela sa identične optužbe mogu se stvoriti različiti znakovi razbijanjem atoma na dva nabijena dijela i prijenosom tih dijelova s ​​jednog tijela na drugo. S takvim razmakom potrebno je raditi i trošiti energiju. Naravno, naelektrisani delovi će težiti da se vrate u prvobitno stanje sa manje energije i kombinuju se, odnosno moraju biti privučeni jedan drugom.

Sa stajališta interakcije kratkog dometa, svaka interakcija pretpostavlja postojanje razmjene između tijela u interakciji sa nečim materijalnim, a trenutno djelovanje na daljinu i telekineza su nemogući. Elektrostatičke interakcije između naboja izvode se konstantnim električnim poljem. Ne znamo šta je to, ali možemo sa sigurnošću reći da je polje materijalno, jer ima energiju, masu, impuls i konačnu brzinu širenja.

snimljeno za sliku električno polje linije sile izlaze iz jednog naboja (pozitivnog) i ne mogu se prekinuti u praznini, već uvijek ulaze u drugi (negativni) naboj. Oni su poput pipaka koji se protežu od jednog naboja do drugog, povezujući ih. Da bi se smanjila energija sistema naelektrisanja, zapremina koju zauzima polje teži ka minimumu. Stoga, ispruženi "pipci" električnog polja uvijek imaju tendenciju da se skupljaju poput elastičnih traka rastegnutih tokom punjenja. Zbog ove kontrakcije se vrši privlačenje suprotnih naboja. Sila privlačenja može se eksperimentalno izmjeriti. Ona daje Coulombov zakon.

Sasvim je druga stvar u slučaju sličnih optužbi. Ukupno električno polje dva naelektrisanja izlazi iz svakog od njih i ide u beskonačnost, a kontakt polja jednog i drugog naelektrisanja nije postignut. Elastični "pipci" jednog naboja ne dopiru do drugog. Dakle, nema direktnog materijalnog uticaja jednog naboja na drugi, nemaju sa čime da komuniciraju. Pošto ne prepoznajemo telekinezu, dakle, ne može postojati odbojnost.

Ali kako onda objasniti divergenciju latica eleroskopa i odbijanje naelektrisanja uočeno u Coulombovim eksperimentima? Podsjetimo, kada stvaramo dva pozitivna naboja za naše iskustvo, neizbježno stvaramo negativan naboj iu okolnom prostoru.

Ovdje je privlačnost prema njemu pogrešna i smatra se odbojnošću.

Definicija 1

Mnogi od onih oko nas fizičke pojave koji se javljaju u prirodi, ne nalaze objašnjenje u zakonima mehanike, termodinamike i molekularno-kinetičke teorije. Ovakve pojave se zasnivaju na uticaju sila koje deluju između tela na udaljenosti i nezavisno od masa tela u interakciji, što odmah poriče njihovu moguću gravitacionu prirodu. Ove sile se nazivaju elektromagnetna.

Čak su i stari Grci imali neku ideju o elektromagnetnim silama. Međutim, tek krajem 18. vijeka sistematski, kvantitativna studija fizičke pojave povezane s elektromagnetskom interakcijom tijela.

Definicija 2

Zahvaljujući mukotrpnom radu velikog broja naučnika u 19. veku, završeno je stvaranje jedne apsolutno nove harmonične nauke, koja proučava magnetne i električne pojave. Tako je nazvana jedna od najvažnijih grana fizike elektrodinamika.

Stvaraju električni naboji i struje, električni i magnetna polja postao njen glavni predmet studiranja.

Koncept naboja u elektrodinamici igra istu ulogu kao i gravitaciona masa u Njutnovoj mehanici. Uključen je u temelj sekcije i za nju je primarni.

Definicija 3

Električno punjenje je fizička veličina koja karakterizira svojstvo čestica ili tijela da ulaze u interakcije elektromagnetnih sila.

Slova q ili Q u elektrodinamici obično označavaju električni naboj.

Zajedno, sve poznate eksperimentalno dokazane činjenice nam omogućavaju da izvučemo sljedeće zaključke:

Definicija 4

Postoje dvije vrste električnih naboja. Oni su konvencionalno imenovani pozitivno i negativnih naboja .

Definicija 5

Naboji se mogu prenositi (na primjer, direktnim kontaktom) između tijela. Električni naboj, za razliku od tjelesne mase, nije njegova integralna karakteristika. Jedno određeno tijelo raznim uslovima može poprimiti različite vrijednosti punjenja.

Definicija 6

Slični naboji odbijaju, za razliku od naboja privlače. Ova činjenica otkriva još jednu fundamentalnu razliku između elektromagnetskih i gravitacionih sila. Gravitacijske sile su uvijek sile privlačenja.

zakon o konzervaciji električni naboj je jedan od osnovnih zakona prirode.

AT izolovani sistem algebarski zbir naboja svih tijela je nepromijenjen:

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

Definicija 7

Zakon održanja električnog naboja kaže da se u zatvorenom sistemu tijela ne mogu uočiti procesi rađanja ili nestajanja naelektrisanja samo jednog znaka.

Sa tačke gledišta moderna nauka, nosioci naboja su elementarne čestice. Svaki običan predmet se sastoji od atoma. Sastoje se od pozitivno nabijenih protona, negativno nabijenih elektrona i neutralnih čestica – neutrona. Protoni i neutroni su sastavni dio atomska jezgra, dok se formiraju elektroni elektronska školjka atomi. Po modulu, električni naboji protona i elektrona su ekvivalentni i jednaki vrijednosti elementarnog naboja e.

U neutralnom atomu, broj elektrona u ljusci i protona u jezgru je isti. Broj bilo koje od datih čestica naziva se atomski broj.

Takav atom ima sposobnost i da izgubi i dobije jedan ili više elektrona. Kada se to dogodi, neutralni atom postaje pozitivno ili negativno nabijen ion.

Naboj može preći s jednog tijela na drugo samo u dijelovima koji sadrže cijeli broj elementarnih naboja. Ispada da je električni naboj tijela diskretna veličina:

q = ±n e (n = 0 , 1 , 2 , . . .).

Definicija 8

Fizičke veličine koje imaju sposobnost preuzimanja isključivo diskretnog niza vrijednosti nazivaju se kvantizovano.

Definicija 9

elementarnog naboja e predstavlja kvant, odnosno najmanji mogući dio električnog naboja.

Definicija 10

Činjenica postojanja u modernoj fizici elementarnih čestica tzv kvarkovi– čestice s frakcionim nabojem ± 1 3 e i ± 2 3 e .

Međutim, naučnici nikada nisu bili u mogućnosti da posmatraju kvarkove u slobodnom stanju.

Definicija 11

Za otkrivanje i mjerenje električnih naboja u laboratoriji obično se koristi elektrometar - uređaj koji se sastoji od metalne šipke i strelice koja se može rotirati oko horizontalne ose (sl. 1. 1. 1.).

Vrh strijele je izoliran od metalnog kućišta. U dodiru sa štapom elektrometra, nabijeno tijelo izaziva distribuciju električnih naboja istog znaka duž štapa i igle. Utjecaj sila električnog odbijanja uzrokuje odstupanje igle pod određenim kutom, po čemu je moguće odrediti naboj koji se prenosi na štap elektrometra.

Slika 1. jedan . jedan . Prenos naelektrisanja sa naelektrisanog tela na elektrometar.

Elektrometar je prilično grub instrument. Njegova osjetljivost ne dozvoljava da se istraže sile interakcije naelektrisanja. Godine 1785. prvi put je otkriven zakon interakcije fiksnih naelektrisanja. Francuski fizičar Ch. Coulomb postao je otkrivač. U svojim eksperimentima mjerio je sile privlačenja i odbijanja nabijenih kuglica pomoću uređaja koji je dizajnirao za mjerenje električnog naboja - torzijske vage (sl. 1. 1. 2.), koja ima izuzetno visoku osjetljivost. Klabica vage zakrenula se za 1 ° pod djelovanjem sile od približno 10 - 9 N.

Ideja o mjerenjima temeljila se na pretpostavci fizičara da će se, kada nabijena kugla dođe u dodir sa istom nenabijenom, postojeći naboj prve podijeliti na jednake dijelove između tijela. Tako je dobijena metoda za promjenu naboja lopte za dva ili više puta.

Definicija 12

Coulomb je u svojim eksperimentima mjerio interakciju između kuglica čije su dimenzije bile mnogo manje od udaljenosti koja ih dijeli, zbog čega su se mogle zanemariti. Takva nabijena tijela se nazivaju bodovne naknade.

Slika 1. jedan . 2. Kulonov uređaj.

Slika 1. jedan . 3 . Interakcione sile sličnih i nesličnih naboja.

Na osnovu mnogih eksperimenata, Coulomb je ustanovio sljedeći zakon:

Definicija 13

Sile interakcije fiksnih naelektrisanja direktno su proporcionalne proizvodu modula naelektrisanja i obrnuto proporcionalne kvadratu udaljenosti između njih: F = k q 1 · q 2 r 2 .

Interakcione sile su odbojne sile sa istim predznacima naelektrisanja i privlačne sile sa različitim predznacima (slika 1.1.3), a takođe se pridržavaju trećeg Newtonovog zakona:
F 1 → = - F 2 →.

Definicija 14

Kulonova ili elektrostatička interakcija je učinak stacionarnih električnih naboja jedan na drugi.

Definicija 15

Odjeljak elektrodinamike posvećen proučavanju Kulonove interakcije naziva se elektrostatika.

Kulonov zakon se može primeniti na naelektrisana tačkasta tela. U praksi je u potpunosti ispunjeno ako se dimenzije nabijenih tijela mogu zanemariti zbog udaljenosti između objekata interakcije koja je mnogo veća od njih.

Koeficijent proporcionalnosti k u Coulombovom zakonu zavisi od izbora sistema jedinica.

AT međunarodni sistem C A jedinica mjerenja električnog naboja je privjesak (K l).

Definicija 16

privjesak- ovo je naelektrisanje koje prolazi za 1 s kroz poprečni presjek provodnika pri jakosti struje od 1 A. Jedinica jačine struje (amperi) u C And je, zajedno sa jedinicama dužine, vremena i mase, glavna jedinica mjerenja.

Koeficijent k u C sistemu And u većini slučajeva zapisuje se kao sljedeći izraz:

k = 1 4 π ε 0 .

U kojoj je ε 0 = 8, 85 10 - 12 K l 2 N m 2 električna konstanta.

U sistemu C AND, elementarni naboj e je:

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

Na osnovu iskustva, možemo reći da se sile Kulonove interakcije pokoravaju principu superpozicije.

Teorema 1

Ako nabijeno tijelo djeluje istovremeno s nekoliko nabijenih tijela, tada je rezultujuća sila koja djeluje na ovo tijelo jednaka vektorskom zbiru sila koje na ovo tijelo djeluju od svih ostalih nabijenih tijela.

Slika 1. jedan . 4, na primjeru elektrostatičke interakcije tri nabijena tijela, objašnjen je princip superpozicije.

Slika 1. jedan . četiri . Princip superpozicije elektrostatičkih sila F → = F 21 → + F 31 → ; F 2 → = F 12 → + F 32 →; F 3 → = F 13 → + F 23 →.

Slika 1. jedan . 5 . Model interakcije tačkaste naknade.

Iako je princip superpozicije osnovni zakon prirode, njegova upotreba zahtijeva određenu pažnju kada se primjenjuje na interakciju nabijenih tijela konačne veličine. Kao primjer za to mogu poslužiti dvije provodljive nabijene kuglice 1 i 2. Ako se druga nabijena kuglica dovede u takav sistem koji se sastoji od dvije nabijene kuglice, tada će se interakcija između 1 i 2 promijeniti zbog preraspodjele naelektrisanja.

Princip superpozicije pretpostavlja da sile elektrostatičke interakcije između bilo koja dva tijela ne zavise od prisustva drugih tijela s nabojem, pod uvjetom da je raspodjela naelektrisanja fiksna (data).

Ako primijetite grešku u tekstu, označite je i pritisnite Ctrl+Enter

Električno punjenje- fizička veličina koja karakteriše sposobnost tela da stupa u elektromagnetne interakcije. Izmjereno u Coulomb.

elementarnog električnog naboja- minimalni naboj koji imaju elementarne čestice (naboj protona i elektrona).

e= Cl

Tijelo ima naboj, znači da ima dodatne ili nedostajuće elektrone. Ova naplata je označena q = ne. (jednako je broju elementarnih naelektrisanja).

naelektrisati telo- stvoriti višak i manjak elektrona. Načini: naelektrisanje trenjem i elektrifikacija kontaktom.

precizna zora e - naboj tijela, koji se može uzeti kao materijalna tačka.

sudska optužba () - tačka, mali naboj, nužno pozitivan - koristi se za proučavanje električnog polja.

Zakon održanja naboja: u izolovanom sistemu, algebarski zbir naboja svih tijela ostaje konstantan za bilo koju interakciju ovih tijela jedno s drugim.

Coulombov zakon: sile interakcije dva točkasta naboja proporcionalne su proizvodu ovih naboja, obrnuto proporcionalne kvadratu udaljenosti između njih, zavise od svojstava medija i usmjerene su duž prave linije koja spaja njihova središta.

, gdje
F / m, C 2 / nm 2 - dielektrik. brzo. vakuum

- odnosi se. dielektrična konstanta (>1)

- apsolutna dielektrična permeabilnost. okruženja

Električno polje- materijalni medij kroz koji dolazi do interakcije električnih naboja.

Svojstva električnog polja:

Karakteristike električnog polja:

tenzija (E) je vektorska veličina, jednaka snazi djelujući na jedinično testno punjenje postavljeno u datu tačku.

Mjereno u N/C.

Smjer je isto kao i za aktivnu silu.

napetost ne zavisi ni po snazi ​​ni po veličini sudske optužbe.

Superpozicija električnih polja: jačina polja koje stvara nekoliko naboja jednaka je vektorskom zbroju jačine polja svakog naboja:

Grafički Elektronsko polje je prikazano pomoću linija napetosti.

zatezna linija- prava, tangenta na koju se u svakoj tački poklapa sa smjerom vektora napetosti.

Osobine naponske linije: ne seku se, kroz svaku tačku se može povući samo jedna prava; nisu zatvoreni, ostavljaju pozitivan naboj i ulaze u negativan, ili se raspršuju u beskonačnost.

Vrste polja:

Jedinstveno električno polje- polje čiji je vektor intenziteta u svakoj tački isti po apsolutnoj vrijednosti i smjeru.

Nejednoliko električno polje- polje čiji vektor intenziteta u svakoj tački nije isti po apsolutnoj vrijednosti i smjeru.

Konstantno električno polje– vektor napetosti se ne mijenja.

Nekonstantno električno polje- mijenja se vektor napetosti.

Rad električnog polja za pomicanje naboja.

, gdje je F sila, S je pomak, - ugao između F i S.

Za homogeno polje: sila je konstantna.

Rad ne zavisi od oblika putanje; rad obavljen za kretanje po zatvorenoj putanji je nula.

Za nehomogeno polje:

Potencijal električnog polja- omjer rada koji polje vrši, pomjerajući probni električni naboj u beskonačnost, prema veličini ovog naboja.

- potencijal je energetska karakteristika polja. Mjereno u voltima

Razlika potencijala:

Ako a
, onda

, znači

- potencijalni gradijent.

Za homogeno polje: razlika potencijala - voltaža:

. Mjeri se u voltima, uređaji - voltmetrima.

Električni kapacitet- sposobnost tijela da akumuliraju električni naboj; omjer naboja i potencijala, koji je uvijek konstantan za dati provodnik.

.

Ne zavisi od naelektrisanja i ne zavisi od potencijala. Ali to ovisi o veličini i obliku vodiča; na dielektrična svojstva medija.

, gdje je r veličina,
- propusnost medijuma oko tela.

Električni kapacitet se povećava ako se u blizini nalaze neka tijela - provodnici ili dielektrici.

Kondenzator- uređaj za akumuliranje naboja. Električni kapacitet:

Ravni kondenzator- dvije metalne ploče sa dielektrikom između njih. Kapacitet ravnog kondenzatora:

, gdje je S površina ploča, d je udaljenost između ploča.

Energija napunjenog kondenzatora jednak je radu električnog polja pri prenošenju naboja s jedne ploče na drugu.

Prenos malog punjenja
, napon će se promijeniti na
, posao će biti obavljen
. Jer
, i S = const,
. Onda
. integrišemo:

Energija električnog polja:
, gdje je V=Sl zapremina koju zauzima električno polje

Za nehomogeno polje:
.

Volumetrijska gustina električnog polja:
. Izmjereno u J/m 3.

električni dipol- sistem koji se sastoji od dva jednaka, ali suprotna po predznaku, tačkasta električna naboja koja se nalaze na određenoj udaljenosti jedan od drugog (dipol krak - l).

Glavna karakteristika dipola je dipolni moment je vektor jednak proizvodu naboja i kraka dipola, usmjeren od negativnog na pozitivan naboj. Označeno
. Mjereno u kulonskim metrima.

Dipol u jednoličnom električnom polju.

Sile koje djeluju na svaki od naboja dipola su:
i
. Ove sile su suprotno usmjerene i stvaraju moment para sila - moment: , gdje

M - moment F - sile koje djeluju na dipol

d – krak sile l – krak dipola

p - dipolni moment E - intenzitet

- ugao između p i E q - naboj

Pod dejstvom obrtnog momenta, dipol će se okrenuti i slegnuti u pravcu linija napetosti. Vektori p i E će biti paralelni i jednosmjerni.

Dipol u nehomogenom električnom polju.

Postoji obrtni moment, pa će se dipol okrenuti. Ali sile će biti nejednake, a dipol će se pomeriti tamo gde je sila veća.

- gradijent snage. Što je veći gradijent napetosti, to je veća bočna sila koja povlači dipol. Dipol je orijentisan duž linija sile.

Dipoleovo vlastito polje.

Ali . onda:

.

Neka je dipol u tački O i neka mu je krak mali. onda:

.

Formula je dobijena uzimajući u obzir:

Dakle, razlika potencijala zavisi od sinusa poluugla pod kojim su tačke dipola vidljive i projekcije dipolnog momenta na pravu liniju koja povezuje ove tačke.

Dielektrici u električnom polju.

Dielektrik- supstanca koja nema slobodnih naboja, pa samim tim i ne provodi struja. Međutim, u stvari, provodljivost postoji, ali je zanemarljiva.

Dielektrične klase:

kod polarnih molekula (voda, nitrobenzen): molekuli nisu simetrični, centri mase pozitivnih i negativnih naboja se ne poklapaju, što znači da imaju dipolni moment iu slučaju kada nema električnog polja.

kod nepolarnih molekula (vodik, kisik): molekuli su simetrični, centri mase pozitivnih i negativnih naboja se poklapaju, što znači da nemaju dipolni moment u odsustvu električnog polja.

kristalni (natrijum hlorid): kombinacija dve podrešetke, od kojih je jedna pozitivno, a druga negativno; u odsustvu električnog polja, ukupni dipolni moment je nula.

Polarizacija- proces prostornog razdvajanja naelektrisanja, pojava vezanih naelektrisanja na površini dielektrika, što dovodi do slabljenja polja unutar dielektrika.

Načini polarizacije:

1 način - elektrohemijska polarizacija:

Na elektrodama - kretanje kationa i aniona prema njima, neutralizacija tvari; formiraju se područja pozitivnih i negativnih naboja. Struja se postepeno smanjuje. Brzina uspostavljanja mehanizma neutralizacije karakterizira vrijeme relaksacije - to je vrijeme tokom kojeg će se polarizacijski EMF povećati od 0 do maksimuma od trenutka primjene polja. = 10 -3 -10 -2 s.

Metoda 2 - orijentacijska polarizacija:

Na površini dielektrika nastaju nekompenzirani polarni, tj. dolazi do polarizacije. Napetost unutar dielektrika je manja od vanjske napetosti. Vrijeme opuštanja: = 10 -13 -10 -7 s. Frekvencija 10 MHz.

3 načina - elektronska polarizacija:

Karakteristično za nepolarne molekule koji postaju dipoli. Vrijeme opuštanja: = 10 -16 -10 -14 s. Frekvencija 10 8 MHz.

4 načina - jonska polarizacija:

Dvije rešetke (Na i Cl) su pomjerene jedna u odnosu na drugu.

Vrijeme opuštanja:

Metoda 5 - mikrostrukturna polarizacija:

Za biološke strukture je tipično kada se izmjenjuju nabijeni i nenabijeni slojevi. Dolazi do preraspodjele jona na polupropusnim ili jononepropusnim pregradama.

Vrijeme opuštanja: \u003d 10 -8 -10 -3 s. Frekvencija 1 kHz

Numeričke karakteristike stepena polarizacije:

Struja je uređeno kretanje slobodnih naboja u materiji ili u vakuumu.

Uslovi za postojanje električne struje:

prisustvo besplatnih naknada

prisustvo električnog polja, tj. sile koje deluju na ove optužbe

Snaga struje- vrijednost jednaka naboju koji prolazi kroz bilo koji poprečni presjek provodnika u jedinici vremena (1 sekundi)

Mjereno u amperima.

n je koncentracija naboja

q je iznos naknade

S je površina poprečnog presjeka vodiča

- brzina usmjerenog kretanja čestica.

Brzina kretanja nabijenih čestica u električnom polju je mala - 7 * 10 -5 m / s, brzina širenja električnog polja je 3 * 10 8 m / s.

gustina struje- količina naelektrisanja koja u 1 sekundi prolazi kroz dio od 1 m 2.

. Mjereno u A/m 2.

- sila koja djeluje na jon sa strane električnog polja jednaka je sili trenja

- pokretljivost jona

- brzina usmjerenog kretanja jona = pokretljivost, jačina polja

Specifična provodljivost elektrolita je veća, što je veća koncentracija iona, njihov naboj i pokretljivost. Kako temperatura raste, povećava se mobilnost iona i povećava se električna provodljivost.

Esej o elektrotehnici

Završio: Roman Agafonov

Agroindustrijska škola Luga

Nemoguće je dati kratku definiciju naplate koja je zadovoljavajuća u svakom pogledu. Navikli smo da nalazimo razumljiva objašnjenja za veoma složene formacije i procese, kao što su atom, tečni kristali, raspodela molekula po brzinama, itd. Ali najosnovniji, fundamentalni koncepti, nedjeljivi na jednostavnije, lišeni, prema današnjoj nauci, bilo kakvog unutrašnjeg mehanizma, ne mogu se ukratko objasniti na zadovoljavajući način. Pogotovo ako objekte ne opažamo direktno našim osjetilima. Takvim fundamentalnim konceptima pripada električni naboj.

Pokušajmo prvo otkriti ne što je električni naboj, već ono što se krije iza tvrdnje, dato tijelo ili čestica ima električni naboj.

Znate da su sva tijela građena od najmanjih, nedjeljivih na jednostavnije (koliko je nauka sada poznata) čestice, koje se stoga nazivaju elementarnim. Sve elementarne čestice imaju masu i zbog toga se privlače jedna drugoj. Po zakonu gravitacija sila privlačenja opada relativno sporo kako se rastojanje između njih povećava: obrnuto proporcionalno kvadratu udaljenosti. Osim toga, većina elementarnih čestica, iako ne sve, imaju sposobnost interakcije jedna s drugom silom koja također opada obrnuto s kvadratom udaljenosti, ali ta sila je ogroman broj, puta veća od sile gravitacije. Dakle, u atomu vodika, shematski prikazanom na slici 1, elektron je privučen jezgru (proton) sa silom 1039 puta većom od sile gravitacionog privlačenja.

Ako čestice međusobno djeluju silama koje se polako smanjuju s rastojanjem i koje su mnogo puta veće od sila univerzalne gravitacije, tada se kaže da te čestice imaju električni naboj. Same čestice se nazivaju naelektrisane. Postoje čestice bez električnog naboja, ali nema električnog naboja bez čestice.

Interakcije između nabijenih čestica nazivaju se elektromagnetnim. Kada kažemo da su elektroni i protoni električno nabijeni, to znači da su sposobni za interakcije određene vrste (elektromagnetske), i ništa više. Odsustvo naboja na česticama znači da ne detektuje takve interakcije. Električni naboj određuje intenzitet elektromagnetne interakcije, kao što masa određuje intenzitet gravitacionih interakcija. Električni naboj je druga najvažnija karakteristika elementarnih čestica (poslije mase), koja određuje njihovo ponašanje u okolnom svijetu.

Na ovaj način

Električni naboj je fizička skalarna veličina koja karakterizira svojstvo čestica ili tijela da ulaze u interakcije elektromagnetne sile.

Električni naboj je označen slovima q ili Q.

Kao što se u mehanici često koristi koncept materijalne tačke, što omogućava značajno pojednostavljenje rješavanja mnogih problema, kada se proučava interakcija naboja, koncept tačkastog naboja se pokazuje učinkovitim. Tačkasti naboj je nabijeno tijelo čije su dimenzije mnogo manje od udaljenosti od ovog tijela do tačke posmatranja i drugih nabijenih tijela. Konkretno, ako govorimo o interakciji dva točkasta naboja, tada pretpostavljamo da je udaljenost između dva razmatrana nabijena tijela mnogo veća od njihovih linearnih dimenzija.

Električni naboj elementarne čestice nije poseban „mehanizam“ u čestici koji bi se mogao ukloniti iz nje, razložiti na sastavne dijelove i ponovo sastaviti. Prisustvo električnog naboja u elektronu i drugim česticama znači samo postojanje određenih interakcija između njih.

U prirodi postoje čestice sa nabojima suprotnih predznaka. Naboj protona naziva se pozitivnim, a naelektrisanje elektrona negativnim. Pozitivan predznak naboja čestice ne znači, naravno, da ima posebne prednosti. Uvođenje naboja dva znaka jednostavno izražava činjenicu da nabijene čestice mogu i privlačiti i odbijati. Čestice sa istim predznakom naelektrisanja se međusobno odbijaju, a sa različitim predznacima privlače.

Za sada nema objašnjenja razloga za postojanje dvije vrste električnih naboja. U svakom slučaju, nema fundamentalnih razlika između pozitivnih i negativnih naboja. Kada bi se znakovi električnih naboja čestica obrnuli, onda se priroda elektromagnetskih interakcija u prirodi ne bi promijenila.

Pozitivni i negativni naboji su vrlo dobro kompenzirani u Univerzumu. A ako je Univerzum konačan, onda je njegov ukupni električni naboj, po svoj prilici, jednak nuli.

Najčudnije je da je električni naboj svih elementarnih čestica striktno isti u apsolutnoj vrijednosti. Postoji minimalni naboj, koji se naziva elementarni, koji posjeduju sve nabijene elementarne čestice. Naboj može biti pozitivan, poput protona, ili negativan, poput elektrona, ali modul naboja je isti u svim slučajevima.

Nemoguće je odvojiti dio naboja, na primjer, od elektrona. Ovo je možda najnevjerovatnija stvar. Nijedna moderna teorija ne može objasniti zašto su naboji svih čestica isti i ne može izračunati vrijednost minimalnog električnog naboja. Određuje se eksperimentalno uz pomoć različitih eksperimenata.

Šezdesetih godina prošlog vijeka, nakon što je broj novootkrivenih elementarnih čestica počeo prijeteće da raste, postavljena je hipoteza da su sve čestice koje su u snažnoj interakciji kompozitne. Fundamentalnije čestice nazvane su kvarkovi. Pokazalo se da je upečatljivo da kvarkovi treba da imaju delimičan električni naboj: 1/3 i 2/3 elementarnog naboja. Za konstruiranje protona i neutrona dovoljne su dvije vrste kvarkova. A njihov maksimalni broj, očigledno, ne prelazi šest.

Nemoguće je stvoriti makroskopski standard jedinice električnog naboja, sličan standardu dužine - metar, zbog neizbježnog curenja naboja. Bilo bi prirodno uzeti naboj elektrona kao jedinicu (ovo se sada radi u atomskoj fizici). Ali u vrijeme Kulona, ​​postojanje elektrona u prirodi još nije bilo poznato. Osim toga, naelektrisanje elektrona je premalo i stoga ga je teško koristiti kao referencu.

Postoje dvije vrste električnih naboja, koje se konvencionalno nazivaju pozitivnim i negativnim. Pozitivno nabijena tijela su ona koja djeluju na druga nabijena tijela na isti način kao staklo naelektrizirano trenjem o svilu. Negativno nabijena tijela su ona koja djeluju na isti način kao ebonit naelektriziran trenjem o vunu. Izbor naziva "pozitivan" za naboje koji nastaju na staklu i "negativan" za naboje na ebonitu je potpuno slučajan.

Naboji se mogu prenositi (na primjer, direktnim kontaktom) s jednog tijela na drugo. Za razliku od tjelesne mase, električni naboj nije inherentna karakteristika datog tijela. Isto tijelo u različitim uvjetima može imati različit naboj.

Slični naboji odbijaju, za razliku od naboja privlače. Ovo također pokazuje fundamentalnu razliku između elektromagnetskih i gravitacijskih sila. Gravitacijske sile su uvijek sile privlačenja.

Važno svojstvo električnog naboja je njegova diskretnost. To znači da postoji neki najmanji, univerzalni, daljnji nedjeljivi elementarni naboj, tako da je naboj q bilo kojeg tijela višestruki od ovog elementarnog naboja:

gdje je N cijeli broj, e je vrijednost elementarnog naboja. Prema modernim konceptima, ovaj naboj je numerički jednak naboju elektrona e = 1,6∙10-19 C. Kako je veličina elementarnog naboja veoma mala, za većinu naelektrisanih tela posmatranih i korišćenih u praksi, broj N je veoma veliki, a diskretna priroda promene naelektrisanja se ne manifestuje. Stoga se vjeruje da se u normalnim uvjetima električni naboj tijela mijenja gotovo kontinuirano.

Zakon održanja električnog naboja.

Unutar zatvorenog sistema, za bilo koju interakciju, algebarski zbir električnih naboja ostaje konstantan:

Izolovani (ili zatvoreni) sistem nazvaćemo sistem tela u koji se nikakvi električni naboji ne unose izvana i ne uklanjaju iz njega.

Nigdje i nikada u prirodi ne nastaje i nestaje električni naboj istog znaka. Pojava pozitivnog električnog naboja uvijek je praćena pojavom negativnog naboja jednakog po apsolutnoj vrijednosti. Ni pozitivan ni negativan naboj ne mogu nestati odvojeno, mogu se međusobno neutralizirati samo ako su jednake po apsolutnoj vrijednosti.

Dakle, elementarne čestice mogu da se transformišu jedna u drugu. Ali uvijek pri rođenju nabijenih čestica uočava se pojava para čestica sa nabojima suprotnog predznaka. Može se uočiti i istovremeno rođenje nekoliko takvih parova. Nabijene čestice nestaju, pretvarajući se u neutralne, također samo u parovima. Sve ove činjenice ne ostavljaju sumnju u striktno sprovođenje zakona održanja električnog naboja.

Razlog za očuvanje električnog naboja je još uvijek nepoznat.

Elektrifikacija tijela

Makroskopska tijela su po pravilu električki neutralna. Atom bilo koje supstance je neutralan, jer je broj elektrona u njemu jednak broju protona u jezgru. Pozitivno i negativno nabijene čestice se vežu jedna za drugu električne sile i formiraju neutralne sisteme.

Veliko tijelo je nabijeno kada sadrži višak elementarnih čestica sa istim predznakom naboja. Negativan naboj tijela nastaje zbog viška elektrona u odnosu na protone, a pozitivan zbog njihovog nedostatka.

Da bi se dobilo električno nabijeno makroskopsko tijelo, ili, kako kažu, da bi ga naelektrizirali, potrebno je odvojiti dio negativnog naboja od pozitivnog naboja koji je s njim povezan.

Najlakši način da to učinite je trenjem. Ako provučete češalj kroz kosu, tada će mali dio najmobilnijih nabijenih čestica - elektrona - prijeći s kose na češalj i nabiti ga negativno, a kosa će biti nabijena pozitivno. Kada su naelektrisana trenjem, oba tela dobijaju naelektrisanja suprotna po predznaku, ali identična po veličini.

Vrlo je lako naelektrizirati tijela pomoću trenja. Ali objasniti kako se to događa, pokazalo se da je to bio vrlo težak zadatak.

1 verzija. Prilikom naelektrisanja tijela važan je blizak kontakt između njih. Električne sile drže elektrone unutar tijela. Ali za različite supstance ove sile su različite. U bliskom kontaktu, mali dio elektrona supstance, u kojoj je veza elektrona s tijelom relativno slaba, prelazi na drugo tijelo. U ovom slučaju, pomaci elektrona ne prelaze veličine međuatomskih udaljenosti (10-8 cm). Ali ako se tijela razdvoje, onda će obojica biti optuženi. Kako površine tijela nikada nisu savršeno glatke, bliski kontakt između tijela neophodan za prijelaz uspostavlja se samo na malim površinama. Kada se tijela trljaju jedno o drugo, povećava se broj područja s bliskim kontaktom, a time se povećava i ukupan broj nabijenih čestica koje prelaze s jednog tijela na drugo. Ali nije jasno kako se elektroni mogu kretati u takvim nevodljivim tvarima (izolatorima) kao što su ebonit, pleksiglas i drugi. Vezani su u neutralne molekule.

2 verzija. Na primjeru ionskog kristala LiF (izolatora), ovo objašnjenje izgleda ovako. Tokom formiranja kristala nastaju razne vrste defekata, a posebno prazna mjesta - nepopunjena mjesta u čvorovima kristalne rešetke. Ukoliko broj slobodnih radnih mjesta za pozitivni joni litijum i negativ - fluor nije isti, tada će se kristal tokom formiranja puniti po zapremini. Ali naboj kao cjelina ne može se dugo čuvati u kristalu. U zraku uvijek postoji određena količina jona i kristal će ih izvlačiti iz zraka sve dok se naboj kristala ne neutralizira slojem jona na njegovoj površini. Različiti izolatori imaju različite prostorne naboje, pa su stoga i naboji površinskih slojeva jona različiti. Tokom trenja, površinski slojevi jona se miješaju, a kada se izolatori razdvoje, svaki od njih postaje nabijen.

I mogu li se dva identična izolatora naelektrizirati tijekom trenja, na primjer, isti LiF kristali? Ako imaju iste unutrašnje naboje prostora, onda ne. Ali oni također mogu imati različite intrinzične naboje ako su uslovi kristalizacije bili drugačiji i pojavio se različit broj slobodnih mjesta. Kao što je iskustvo pokazalo, naelektrisanje prilikom trenja identičnih kristala rubina, ćilibara, itd. zaista može doći. Međutim, teško da je ovo objašnjenje tačno u svim slučajevima. Ako se tijela sastoje, na primjer, od molekularnih kristala, onda pojava praznih mjesta u njima ne bi trebala dovesti do punjenja tijela.

Druga metoda elektrifikacije tijela je utjecaj na njih različitih zračenja (posebno ultraljubičastog, rendgenskog i γ-zračenja). Ova metoda je najefikasnija za elektrizaciju metala, kada se elektroni izbacuju s površine metala pod djelovanjem zračenja, a provodnik dobiva pozitivan naboj.

Elektrifikacija kroz uticaj. Provodnik se naplaćuje ne samo u kontaktu sa naelektrisanim tijelom, već i kada se nalazi na nekoj udaljenosti. Istražimo ovaj fenomen detaljnije. Lagane listove papira kačimo na izolovani provodnik (slika 3). Ako provodnik nije inicijalno nabijen, listovi će biti u neskrenutom položaju. Priđimo sada provodniku sa izoliranom metalnom kuglom, jako nabijenom, na primjer, staklenom šipkom. Videćemo da su listovi obešeni na krajevima tela, u tačkama a i b, otklonjeni, iako naelektrisano telo ne dodiruje provodnik. Provodnik je bio naelektrisan uticajem, zbog čega je i sam fenomen nazvan "elektrifikacija putem uticaja" ili "električna indukcija". Naboji dobiveni električnom indukcijom nazivaju se inducirani ili inducirani. Listovi obješeni blizu sredine tijela, u tačkama a' i b', ne odstupaju. To znači da inducirani naboji nastaju samo na krajevima tijela, dok njegova sredina ostaje neutralna, odnosno nenabijena. Donošenjem elektrificirane staklene šipke na listove obješene u tačkama a i b, lako je osigurati da se listovi u tački b odbijaju od nje, a listovi u tački a privlače. To znači da na udaljenom kraju provodnika nastaje naelektrisanje istog predznaka kao na kugli, a naelektrisanje drugog znaka na obližnjim delovima. Nakon uklanjanja nabijene lopte, vidjet ćemo da će listovi pasti. Fenomen se odvija na potpuno analogan način ako se eksperiment ponovi negativnim punjenjem kuglice (na primjer, uz pomoć pečatnog voska).

Sa stanovišta elektronske teorije, ove pojave se lako objašnjavaju postojanjem slobodnih elektrona u provodniku. Kada se na provodnik primijeni pozitivan naboj, elektroni se privlače na njega i akumuliraju se na najbližem kraju provodnika. Na njemu se nalazi određeni broj "viška" elektrona, a ovaj dio provodnika je negativno nabijen. Na drugom kraju postoji manjak elektrona i, posljedično, višak pozitivnih iona: ovdje se pojavljuje pozitivan naboj.

Kada se negativno nabijeno tijelo dovede do provodnika, elektroni se akumuliraju na udaljenom kraju, a višak pozitivnih jona se dobije na bližem kraju. Nakon uklanjanja naboja, koji izaziva kretanje elektrona, oni se ponovo raspoređuju po provodniku, tako da su svi njegovi delovi još uvek nenaelektrisani.

Kretanje naboja duž vodiča i njihovo nakupljanje na njegovim krajevima nastavit će se sve dok učinak viška naboja nastalih na krajevima vodiča ne uravnoteži one električne sile koje proizlaze iz kuglice, pod čijim utjecajem dolazi do preraspodjele elektrona. Odsustvo naboja na sredini tijela pokazuje da su sile koje izlaze iz lopte ovdje uravnotežene, a sile kojima višak naboja akumuliran na krajevima provodnika djeluje na slobodne elektrone.

Indukovana naelektrisanja se mogu razdvojiti ako se, u prisustvu naelektrisanog tela, provodnik podeli na delove. Takvo iskustvo je prikazano na sl. 4. U ovom slučaju, pomaknuti elektroni se više ne mogu vratiti nazad nakon uklanjanja nabijene kuglice; budući da između oba dijela provodnika postoji dielektrik (vazduh). Višak elektrona je raspoređen po cijeloj lijevoj strani; nedostatak elektrona u tački b djelomično se nadoknađuje iz područja tačke b', tako da se svaki dio provodnika ispostavi da je nabijen: lijevo - s nabojem suprotnim znakom naboju lopte, desni - sa nabojem istog imena kao naboj lopte. Ne samo da se listovi razilaze u tačkama a i b, već i listovi koji su prethodno ostali nepomični u tačkama a’ i b’.

Burov L.I., Strelchenya V.M. Fizika od A do Ž: za studente, kandidate, nastavnike. - Minsk: Paradox, 2000. - 560 str.

Myakishev G.Ya. Fizika: Elektrodinamika. 10-11 ćelija: udžbenik. Za dubinska studija fizike /G.Ya. Myakishev, A.Z. Sinyakov, B.A. Slobodskov. - M.Ž Drofa, 2005. - 476 str.

Fizika: Proc. dodatak za 10 ćelija. škola i časovi sa produbljivanjem. studija fizičari / O. F. Kabardin, V. A. Orlov, E. E. Evenchik i drugi; Ed. A. A. Pinsky. - 2nd ed. – M.: Prosvjeta, 1995. – 415 str.

Elementarni udžbenik fizike: Vodič za učenje. U 3 toma / Ed. G.S. Landsberg: T. 2. Elektricitet i magnetizam. - M: FIZMATLIT, 2003. - 480 str.

Ako protrljate staklenu šipku o list papira, štap će steći sposobnost da privuče lišće "sultana", paperje, tanke mlazove vode. Kada češljate suhu kosu plastičnim češljem, kosu privlači češalj. U ovim jednostavnim primjerima susrećemo se s manifestacijom sila koje se nazivaju električnim.

Tijela ili čestice koje djeluju električnim silama na okolne objekte nazivaju se nabijenim ili naelektriziranim. Na primjer, gore spomenuta staklena šipka, nakon što se trlja o list papira, postaje naelektrizirana.

Čestice imaju električni naboj ako međusobno djeluju putem električnih sila. Električne sile se smanjuju kako se rastojanje između čestica povećava. Električne sile su višestruko veće od sila univerzalne gravitacije.

Električni naboj je fizička veličina koja određuje intenzitet elektromagnetnih interakcija.

Elektromagnetne interakcije su interakcije između nabijenih čestica ili tijela.

Električni naboji se dijele na pozitivne i negativne. Stabilne elementarne čestice - protoni i pozitroni, kao i joni atoma metala itd. imaju pozitivan naboj. Stabilni nosioci negativnog naboja su elektron i antiproton.

Postoje električno nenabijene čestice, odnosno neutralne: neutron, neutrino. Ove čestice ne učestvuju u električnim interakcijama, jer je njihov električni naboj jednak nuli. Postoje čestice bez električnog naboja, ali nema električnog naboja bez čestice.

Na staklu utrljanom svilom nastaju pozitivni naboji. Na ebonitu, otrcano na krznu - negativni naboji. Čestice se odbijaju sa naelektrisanjem istog znaka (kao naelektrisanja), a sa različitim predznacima (suprotnih naboja), čestice se privlače.

Sva tijela su sastavljena od atoma. Atomi se sastoje od pozitivno nabijenih atomsko jezgro i negativno nabijenih elektrona koji se kreću oko jezgra atoma. Atomsko jezgro se sastoji od pozitivno nabijenih protona i neutralnih čestica - neutrona. Naboji u atomu su raspoređeni na način da je atom kao cjelina neutralan, odnosno da je zbroj pozitivnih i negativnih naboja u atomu nula.

Elektroni i protoni su dio bilo koje tvari i najmanje su stabilne elementarne čestice. Ove čestice mogu postojati neograničeno u slobodnom stanju. Električni naboj elektrona i protona naziva se elementarni naboj.

Elementarni naboj je minimalni naboj koji posjeduju sve nabijene elementarne čestice. Električni naboj protona je po apsolutnoj vrijednosti jednak naboju elektrona:

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

Vrijednost bilo kojeg naboja je višekratnik apsolutne vrijednosti elementarnog naboja, odnosno naboj elektrona. Elektron u prijevodu sa grčkog elektron - ćilibar, proton - sa grčkog protos - prvi, neutron sa latinskog neutrum - ni jedno ni drugo.

Jednostavni eksperimenti naelektrisanja različitih tela ilustruju sledeće tačke.

1. Postoje dvije vrste naboja: pozitivno (+) i negativno (-). Pozitivan naboj nastaje kada se staklo trlja o kožu ili svilu, a negativno nastaje kada se ćilibar (ili ebonit) trlja o vunu.

2. Naknade (ili nabijena tijela) međusobno komuniciraju. Optužbe sa istim imenom odbijaju, i za razliku od optužbi su privučeni.

3. Stanje naelektrisanja može se prenijeti sa jednog tijela na drugo, što je povezano s prijenosom električnog naboja. U tom slučaju se na tijelo može prenijeti veći ili manji naboj, odnosno naboj ima vrijednost. Kada su naelektrisana trenjem, oba tela dobijaju naelektrisanje, jedno je pozitivno, a drugo negativno. Treba naglasiti da su apsolutne vrijednosti naelektrisanja tijela naelektrisanih trenjem jednake, što potvrđuju brojna mjerenja naelektrisanja pomoću elektrometara.

Nakon otkrića elektrona i proučavanja strukture atoma, postalo je moguće objasniti zašto su tijela naelektrizirana (tj. nabijena) tokom trenja. Kao što znate, sve supstance su sastavljene od atoma; atomi se pak sastoje od elementarnih čestica - negativno nabijenih elektrona, pozitivno naelektrisan protona i neutralne čestice - neutroni. Elektroni i protoni su nosioci elementarnih (minimalnih) električnih naboja.

elementarni električni naboj ( e) - ovo je najmanji električni naboj, pozitivan ili negativan, jednak veličini naboja elektrona:

e = 1.6021892(46) 10 -19 C.

Postoji mnogo nabijenih elementarnih čestica, i gotovo sve imaju naboj. +e ili -e, međutim, ove čestice su vrlo kratkog vijeka. Žive manje od milionitog dela sekunde. Samo elektroni i protoni postoje u slobodnom stanju neograničeno.

Protoni i neutroni (nukleoni) čine pozitivno nabijenu jezgru atoma oko koje se vrte negativno nabijeni elektroni, čiji je broj jednak broju protona, tako da je atom kao cjelina elektrana.

U normalnim uslovima, tela koja se sastoje od atoma (ili molekula) su električno neutralna. Međutim, u procesu trenja, neki od elektrona koji su napustili svoje atome mogu se kretati s jednog tijela na drugo. U ovom slučaju, pomaci elektrona ne prelaze veličine međuatomskih udaljenosti. Ali ako se tijela razdvoje nakon trenja, onda će biti nabijena; tijelo koje je doniralo neke od svojih elektrona bit će pozitivno nabijeno, a tijelo koje ih je steklo biće negativno nabijeno.

Dakle, tijela postaju naelektrizirana, odnosno primaju električni naboj kada izgube ili dobiju elektrone. U nekim slučajevima, elektrifikacija je posljedica kretanja jona. Novi električni naboji u ovom slučaju ne nastaju. Postoji samo podjela raspoloživih naelektrisanja između naelektrisanih tijela: dio negativnih naboja prelazi s jednog tijela na drugo.

Definicija naplate.

Treba naglasiti da je naboj inherentno svojstvo čestice. Moguće je zamisliti česticu bez naboja, ali je nemoguće zamisliti naboj bez čestice.

Nabijene čestice se manifestiraju u privlačenju (suprotni naboji) ili u odbijanju (istoimeni naboji) sa silama koje su mnogo reda veličine veće od gravitacijskih. Dakle, sila električne privlačnosti elektrona na jezgro u atomu vodika je 10 39 puta veća od sile gravitacionog privlačenja ovih čestica. Interakcija između nabijenih čestica naziva se elektromagnetna interakcija, a električni naboj određuje intenzitet elektromagnetnih interakcija.

U savremenoj fizici, naelektrisanje se definiše na sledeći način:

Električno punjenje- ovo je fizička količina, koji je izvor električnog polja, kroz koje se vrši interakcija čestica sa nabojem.

Električno punjenje- fizička veličina koja karakteriše sposobnost tela da stupa u elektromagnetne interakcije. Izmjereno u Coulomb.

elementarnog električnog naboja- minimalni naboj koji imaju elementarne čestice (naboj protona i elektrona).

Tijelo ima naboj, znači da ima dodatne ili nedostajuće elektrone. Ova naplata je označena q=ne. (jednako je broju elementarnih naelektrisanja).

naelektrisati telo- stvoriti višak i manjak elektrona. Načini: naelektrisanje trenjem i elektrifikacija kontaktom.

precizna zora e - naboj tijela, koji se može uzeti kao materijalna tačka.

sudska optužba() - tačka, mali naboj, nužno pozitivan - koristi se za proučavanje električnog polja.

Zakon održanja naboja:u izolovanom sistemu, algebarski zbir naboja svih tijela ostaje konstantan za bilo koju interakciju ovih tijela jedno s drugim.

Coulombov zakon:sile interakcije dva točkasta naboja proporcionalne su proizvodu ovih naboja, obrnuto proporcionalne kvadratu udaljenosti između njih, zavise od svojstava medija i usmjerene su duž prave linije koja spaja njihova središta.

, gdje

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

- odnosi se. dielektrična konstanta (>1)

- apsolutna dielektrična permeabilnost. okruženja

Električno polje- materijalni medij kroz koji dolazi do interakcije električnih naboja.

Svojstva električnog polja:

Karakteristike električnog polja:

tenzija(E) je vektorska veličina jednaka sili koja djeluje na jedinično probno punjenje postavljeno u datu tačku.

Mjereno u N/C.

Smjer je isto kao i za aktivnu silu.

napetost ne zavisi ni po snazi ​​ni po veličini sudske optužbe.

Superpozicija električnih polja: jačina polja koje stvara nekoliko naboja jednaka je vektorskom zbroju jačine polja svakog naboja:

Grafički Elektronsko polje je prikazano pomoću linija napetosti.

zatezna linija- prava, tangenta na koju se u svakoj tački poklapa sa smjerom vektora napetosti.

Osobine naponske linije: ne seku se, kroz svaku tačku se može povući samo jedna prava; nisu zatvoreni, ostavljaju pozitivan naboj i ulaze u negativan, ili se raspršuju u beskonačnost.

Vrste polja:

Jedinstveno električno polje- polje čiji je vektor intenziteta u svakoj tački isti po apsolutnoj vrijednosti i smjeru.

Nejednoliko električno polje- polje čiji vektor intenziteta u svakoj tački nije isti po apsolutnoj vrijednosti i smjeru.

Konstantno električno polje– vektor napetosti se ne mijenja.

Nekonstantno električno polje- mijenja se vektor napetosti.

Rad električnog polja za pomicanje naboja.

, gdje je F sila, S je pomak, - ugao između F i S.

Za jednolično polje: sila je konstantna.

Rad ne zavisi od oblika putanje; rad obavljen za kretanje po zatvorenoj putanji je nula.

Za nehomogeno polje:

Potencijal električnog polja- omjer rada koji polje vrši, pomjerajući probni električni naboj u beskonačnost, prema veličini ovog naboja.

-potencijal je energetska karakteristika polja. Mjereno u voltima

Razlika potencijala:

, onda

, znači

-potencijalni gradijent.

Za homogeno polje: razlika potencijala - voltaža:

. Mjeri se u voltima, uređaji - voltmetrima.

Električni kapacitet- sposobnost tijela da akumuliraju električni naboj; omjer naboja i potencijala, koji je uvijek konstantan za dati provodnik.

.

Ne zavisi od naelektrisanja i ne zavisi od potencijala. Ali to ovisi o veličini i obliku vodiča; na dielektrična svojstva medija.

, gdje je r veličina,

- propusnost medijuma oko tela.

Električni kapacitet se povećava ako se u blizini nalaze neka tijela - provodnici ili dielektrici.

Kondenzator- uređaj za akumuliranje naboja. Električni kapacitet:

Ravni kondenzator- dvije metalne ploče sa dielektrikom između njih. Kapacitet ravnog kondenzatora:

, gdje je S površina ploča, d je udaljenost između ploča.

Energija napunjenog kondenzatora jednak je radu električnog polja pri prenošenju naboja s jedne ploče na drugu.

Prenos malog punjenja

, napon će se promijeniti na

, posao će biti obavljen

. Jer

, i C \u003d const,

. Onda

. integrišemo:

Energija električnog polja:

, gdje je V=Sl zapremina koju zauzima električno polje

Za nehomogeno polje:

.

Volumetrijska gustina električnog polja:

. Izmjereno u J/m 3.

električni dipol- sistem koji se sastoji od dva jednaka, ali suprotna po predznaku, tačkasta električna naboja koja se nalaze na određenoj udaljenosti jedan od drugog (dipol krak -l).

Glavna karakteristika dipola je dipolni moment je vektor jednak proizvodu naboja i kraka dipola, usmjeren od negativnog na pozitivan naboj. Označeno

. Mjereno u kulonskim metrima.

Dipol u jednoličnom električnom polju.

Sile koje djeluju na svaki od naboja dipola su:

i

. Ove sile su suprotno usmjerene i stvaraju moment para sila - moment:, gdje

M - moment F - sile koje djeluju na dipol

d– krak krak l– krak dipola

p– dipolni moment E– intenzitet

- ugao između p Eq - naboja

Pod dejstvom obrtnog momenta, dipol će se okrenuti i slegnuti u pravcu linija napetosti. Vektori pi i E bit će paralelni i jednosmjerni.

Dipol u nehomogenom električnom polju.

Postoji obrtni moment, pa će se dipol okrenuti. Ali sile će biti nejednake, a dipol će se pomeriti tamo gde je sila veća.

-gradijent snage. Što je veći gradijent napetosti, to je veća bočna sila koja povlači dipol. Dipol je orijentisan duž linija sile.

Dipoleovo vlastito polje.

Ali. onda:

.

Neka je dipol u tački O i neka mu je krak mali. onda:

.

Formula je dobijena uzimajući u obzir:

Dakle, razlika potencijala zavisi od sinusa poluugla pod kojim su tačke dipola vidljive i projekcije dipolnog momenta na pravu liniju koja povezuje ove tačke.

Dielektrici u električnom polju.

Dielektrik- tvar koja nema slobodne naboje, pa samim tim ne provodi električnu struju. Međutim, u stvari, provodljivost postoji, ali je zanemarljiva.

Dielektrične klase:

kod polarnih molekula (voda, nitrobenzen): molekuli nisu simetrični, centri mase pozitivnih i negativnih naboja se ne poklapaju, što znači da imaju dipolni moment iu slučaju kada nema električnog polja.

kod nepolarnih molekula (vodik, kisik): molekuli su simetrični, centri mase pozitivnih i negativnih naboja se poklapaju, što znači da nemaju dipolni moment u odsustvu električnog polja.

kristalni (natrijum hlorid): kombinacija dve podrešetke, od kojih je jedna pozitivno, a druga negativno; u odsustvu električnog polja, ukupni dipolni moment je nula.

Polarizacija- proces prostornog razdvajanja naelektrisanja, pojava vezanih naelektrisanja na površini dielektrika, što dovodi do slabljenja polja unutar dielektrika.

Načini polarizacije:

1 način - elektrohemijska polarizacija:

Na elektrodama - kretanje kationa i aniona prema njima, neutralizacija tvari; formiraju se područja pozitivnih i negativnih naboja. Struja se postepeno smanjuje. Brzina uspostavljanja mehanizma neutralizacije karakterizira vrijeme relaksacije - to je vrijeme tokom kojeg će se polarizacijski EMF povećati od 0 do maksimuma od trenutka primjene polja. = 10 -3 -10 -2 s.

Metoda 2 - orijentacijska polarizacija:

Na površini dielektrika nastaju nekompenzirani polarni, tj. dolazi do polarizacije. Napetost unutar dielektrika je manja od vanjske napetosti. Vrijeme opuštanja: = 10 -13 -10 -7 s. Frekvencija 10 MHz.

3 načina - elektronska polarizacija:

Karakteristično za nepolarne molekule koji postaju dipoli. Vrijeme opuštanja: = 10 -16 -10 -14 s. Frekvencija 10 8 MHz.

4 načina - jonska polarizacija:

Dvije rešetke (Na i Cl) su pomjerene jedna u odnosu na drugu.

Vrijeme opuštanja:

Metoda 5 - mikrostrukturna polarizacija:

Za biološke strukture je tipično kada se izmjenjuju nabijeni i nenabijeni slojevi. Dolazi do preraspodjele jona na polupropusnim ili jononepropusnim pregradama.

Vrijeme opuštanja: \u003d 10 -8 -10 -3 s. Frekvencija 1 kHz

Numeričke karakteristike stepena polarizacije:

Struja je uređeno kretanje slobodnih naboja u materiji ili u vakuumu.

Uslovi za postojanje električne struje:

prisustvo besplatnih naknada

prisustvo električnog polja, tj. sile koje deluju na ove optužbe

Snaga struje- vrijednost jednaka naboju koji prolazi kroz bilo koji poprečni presjek provodnika u jedinici vremena (1 sekundi)

Mjereno u amperima.

n je koncentracija naboja

q je iznos naknade

S- površina poprečnog presjeka provodnika

- brzina usmjerenog kretanja čestica.

Brzina kretanja nabijenih čestica u električnom polju je mala - 7 * 10 -5 m / s, brzina širenja električnog polja je 3 * 10 8 m / s.

gustina struje- količina naelektrisanja koja u 1 sekundi prolazi kroz dio od 1 m 2.

. Mjereno u A/m 2.

- sila koja djeluje na jon sa strane električnog polja jednaka je sili trenja

- pokretljivost jona

- brzina usmjerenog kretanja jona = pokretljivost, jačina polja

Specifična provodljivost elektrolita je veća, što je veća koncentracija iona, njihov naboj i pokretljivost. Kako temperatura raste, povećava se mobilnost iona i povećava se električna provodljivost.

Na osnovu zapažanja interakcije električno nabijenih tijela, američki fizičar Benjamin Franklin je neka tijela nazvao pozitivno, a druga negativno. Shodno tome, i električnih naboja pozvao pozitivno i negativan.

Tijela sa sličnim nabojem se međusobno odbijaju. Tijela sa suprotnim nabojem se privlače.

Ovi nazivi naboja su prilično proizvoljni, a njihovo jedino značenje je da tijela koja imaju električni naboj mogu ili privlačiti ili odbijati.

Znak električnog naboja tijela određen je interakcijom s uslovnim standardom predznaka naboja.

Kao jedan od ovih standarda uzet je naboj štapa od ebonita koji se nosi s krznom. Vjeruje se da štapić od ebonita nakon trljanja krznom uvijek ima negativan naboj.

Ako je potrebno utvrditi koji je znak naboja datog tijela, on se dovodi do ebonitnog štapa, koji se nosi s krznom, fiksira u laganoj suspenziji i promatra se interakcija. Ako se štap odbije, tada tijelo ima negativan naboj.

Nakon otkrića i proučavanja elementarnih čestica, pokazalo se da negativni naboj uvijek ima elementarni dio-ca - elektron.

Elektron (od grčkog - ćilibar) - stabilna elementarna čestica s negativnim električnim nabojeme = 1,6021892(46) . 10 -19 C, masa mirovanjaja =9.1095. 10 -19 kg. Otkrio 1897. godine engleski fizičar J. J. Thomson.

Kao standard pozitivan naboj uzima se naboj staklenog štapa nošenog prirodnom svilom. Ako se štap odbija od naelektriziranog tijela, onda ovo tijelo ima pozitivan naboj.

pozitivan naboj uvek jeste proton, koji je dio atomskog jezgra. materijal sa sajta

Koristeći gornja pravila za određivanje predznaka naboja tijela, mora se zapamtiti da on ovisi o supstanci tijela u interakciji. Dakle, štapić od ebonita može imati pozitivan naboj ako se protrlja krpom od sintetičkih materijala. Staklena šipka će imati negativan naboj ako se protrlja krznom. Stoga, kada planirate dobiti negativan naboj na štapiću od ebonita, prilikom trljanja svakako koristite krzno ili vunenu krpu. Isto vrijedi i za elektrifikaciju staklene šipke koja se trlja tkaninom od prirodne svile kako bi se dobio pozitivan naboj. Samo elektron i proton uvijek i jedinstveno imaju negativan, odnosno pozitivan naboj.

Ova stranica sadrži materijale o temama.

« fizika - 10. razred

Razmotrimo prvo najjednostavniji slučaj kada električno nabijena tijela miruju.

Odjeljak elektrodinamike posvećen proučavanju uslova ravnoteže za električno nabijena tijela naziva se elektrostatika.

Šta je električni naboj?
Koje su optužbe?

Rečima struja, električni naboj, električna struja sreli ste se mnogo puta i uspjeli ste se naviknuti na njih. Ali pokušajte odgovoriti na pitanje: "Šta je električni naboj?" Sam koncept naplatiti- to je glavni, primarni koncept, koji se na sadašnjem nivou razvoja našeg znanja ne može svesti ni na kakve jednostavnije, elementarne pojmove.

Pokušajmo prvo otkriti što se podrazumijeva pod tvrdnjom: "Dato tijelo ili čestica ima električni naboj."

Sva tijela su građena od najsitnijih čestica, koje su nedjeljive na jednostavnije i stoga se nazivaju osnovno.

Elementarne čestice imaju masu i zbog toga se privlače jedna prema drugoj prema zakonu univerzalne gravitacije. Kako se rastojanje između čestica povećava, gravitaciona sila se smanjuje obrnuto proporcionalno kvadratu ove udaljenosti. Većina elementarnih čestica, iako ne sve, također imaju sposobnost interakcije jedna s drugom silom koja se također smanjuje obrnuto s kvadratom udaljenosti, ali je ta sila mnogo puta veća od sile gravitacije.

Dakle, u atomu vodika, shematski prikazanom na slici 14.1, elektron je privučen jezgrom (protonom) sa silom 10 39 puta većom od sile gravitacionog privlačenja.

Ako čestice međusobno djeluju silama koje se smanjuju s povećanjem udaljenosti na isti način kao i sile univerzalne gravitacije, ali višestruko premašuju sile gravitacije, tada se kaže da te čestice imaju električni naboj. Same čestice se nazivaju naplaćeno.

Postoje čestice bez električnog naboja, ali nema električnog naboja bez čestice.

Interakcija naelektrisanih čestica naziva se elektromagnetna.

Električni naboj određuje intenzitet elektromagnetnih interakcija, kao što masa određuje intenzitet gravitacijskih interakcija.

Električni naboj elementarne čestice nije poseban mehanizam u čestici koji bi se mogao ukloniti iz nje, razložiti na sastavne dijelove i ponovo sastaviti. Prisutnost električnog naboja u elektronu i drugim česticama znači samo postojanje određenih interakcije sila između njih.

Mi, u suštini, ne znamo ništa o naboju, ako ne znamo zakone ovih interakcija. Poznavanje zakona interakcije trebalo bi da bude uključeno u naše razumevanje optužbe. Ovi zakoni nisu jednostavni i nemoguće ih je iskazati u nekoliko riječi. Stoga je nemoguće dati dovoljno zadovoljavajuću konciznu definiciju pojma električni naboj.

Dva znaka električnog naboja.

Sva tijela imaju masu i stoga se privlače. Nabijena tijela mogu se međusobno privlačiti i odbijati. Ova najvažnija činjenica, vama poznata, znači da u prirodi postoje čestice sa električnim nabojem suprotnih predznaka; U slučaju naelektrisanja istog znaka, čestice se odbijaju, a u slučaju različitih predznaka privlače.

Naboj elementarnih čestica - protona, koji su dio svih atomskih jezgara, naziva se pozitivnim, a naboj elektrona- negativan. Ne postoje unutrašnje razlike između pozitivnih i negativnih naboja. Kada bi se znakovi naboja čestica obrnuli, onda se priroda elektromagnetnih interakcija uopće ne bi promijenila.

elementarnog naboja.

Osim elektrona i protona, postoji još nekoliko tipova nabijenih elementarnih čestica. Ali samo elektroni i protoni mogu postojati neograničeno u slobodnom stanju. Ostale naelektrisane čestice žive manje od milionitog dela sekunde. Oni se rađaju prilikom sudara brzih elementarnih čestica i, postojajući zanemarljivo vrijeme, propadaju, pretvarajući se u druge čestice. Sa ovim česticama ćete se upoznati u 11. razredu.

Uključuju se čestice koje nemaju električni naboj neutron. Njegova masa samo malo premašuje masu protona. Neutroni su, zajedno s protonima, dio atomskog jezgra. Ako elementarna čestica ima naboj, tada je njena vrijednost strogo definirana.

nabijena tijela Elektromagnetne sile u prirodi igraju ogromnu ulogu zbog činjenice da sastav svih tijela uključuje električno nabijene čestice. Sastavni dijelovi atoma - jezgra i elektroni - imaju električni naboj.

Direktno djelovanje elektromagnetnih sila između tijela nije otkriveno, jer su tijela u normalnom stanju električno neutralna.

Atom bilo koje supstance je neutralan, jer je broj elektrona u njemu jednak broju protona u jezgru. Pozitivno i negativno nabijene čestice su međusobno povezane električnim silama i formiraju neutralne sisteme.

Makroskopsko tijelo je električno nabijeno ako sadrži višak elementarnih čestica s bilo kojim znakom naboja. Dakle, negativni naboj tijela nastaje zbog viška broja elektrona u odnosu na broj protona, a pozitivan naboj zbog nedostatka elektrona.

Da bi se dobilo električno nabijeno makroskopsko tijelo, odnosno naelektriziralo ga, potrebno je odvojiti dio negativnog naboja od pozitivnog naboja koji mu je povezan, odnosno prenijeti negativno naelektrisanje na neutralno tijelo.

Ovo se može uraditi trenjem. Ako češljem pređete preko suhe kose, tada će mali dio najmobilnijih nabijenih čestica - elektrona prijeći s kose na češalj i nabiti ga negativno, a kosa će biti nabijena pozitivno.

Jednakost naelektrisanja tokom elektrizacije

Uz pomoć iskustva može se dokazati da kada su naelektrisana trenjem oba tijela dobijaju naboje suprotnog znaka, ali identične po veličini.

Uzmimo elektrometar, na čijoj je šipki pričvršćena metalna kugla s rupom i dvije ploče na dugim ručkama: jedna od ebonita, a druga od pleksiglasa. Kada se trljaju jedna o drugu, ploče se naelektriziraju.

Unesimo jednu od ploča unutar sfere bez dodirivanja njenih zidova. Ako je ploča pozitivno nabijena, tada će se dio elektrona iz igle i štapa elektrometra privući na ploču i skupiti na unutrašnjoj površini sfere. U tom slučaju, strelica će biti pozitivno naelektrisana i odbijena od štapa elektrometra (slika 14.2, a).

Ako se u sferu unese druga ploča, nakon što je prethodno uklonjena prva, tada će se elektroni sfere i štapa odbiti od ploče i nakupiti u višku na strelici. To će uzrokovati da strelica odstupi od štapa, osim toga, pod istim uglom kao u prvom eksperimentu.

Spuštajući obje ploče unutar sfere, nećemo uopće pronaći otklon strelice (slika 14.2, b). Ovo dokazuje da su naelektrisanja ploča jednaka po veličini i suprotnog predznaka.

Elektrifikacija tijela i njene manifestacije. Pri trenju sintetičkih tkanina dolazi do značajne elektrifikacije. Prilikom skidanja košulje od sintetičkog materijala na suhom zraku čuje se karakteristično pucketanje. Male varnice skaču između naelektrisanih površina trljajućih površina.

U štamparijama se papir tokom štampe naelektriše, a listovi se lepe. Kako bi se to spriječilo, koriste se posebni uređaji za pražnjenje punjenja. Međutim, ponekad se koristi elektrifikacija tijela u bliskom kontaktu, na primjer, u raznim mašinama za elektrokopiriranje itd.

Zakon održanja električnog naboja.

Iskustvo s elektrifikacijom ploča dokazuje da se, kada se naelektriziraju trenjem, postojeći naboji preraspodijele između tijela koja su prethodno bila neutralna. Mali dio elektrona prelazi s jednog tijela na drugo. U tom slučaju se nove čestice ne pojavljuju, a prethodno postojeće ne nestaju.

Prilikom naelektrisanja tijela, zakon održanja električnog naboja. Ovaj zakon važi za sistem koji ne ulazi spolja i iz kojeg naelektrisane čestice ne izlaze, tj. izolovani sistem.

U izolovanom sistemu, algebarski zbir naelektrisanja svih tela je očuvan.

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

gdje su q 1, q 2 itd. naboji pojedinačnih naelektrisanih tijela.

Zakon održanja naelektrisanja ima duboko značenje. Ako se broj nabijenih elementarnih čestica ne mijenja, onda je zakon održanja naboja očigledan. Ali elementarne čestice se mogu transformirati jedna u drugu, roditi se i nestati, dajući život novim česticama.

Međutim, u svim slučajevima, naelektrisane čestice se proizvode samo u parovima sa naelektrisanjem istog modula i suprotnog predznaka; nabijene čestice također nestaju samo u parovima, pretvarajući se u neutralne. I u svim ovim slučajevima, algebarski zbir naboja ostaje isti.

Valjanost zakona održanja naelektrisanja potvrđena je opažanjima ogromnog broja transformacija elementarnih čestica. Ovaj zakon izražava jedno od najosnovnijih svojstava električnog naboja. Razlog za očuvanje naboja još uvijek nije poznat.