Toate corpurile lumii din jurul nostru sunt formate din două tipuri de particule stabile - protoni încărcați pozitiv și electroni cu aceeași sarcină negativă e. Numărul de electroni este egal cu numărul de protoni. Prin urmare, universul este neutru din punct de vedere electric.

Din moment ce electronul și protonul niciodată ( cel puțin în ultimii 14 miliarde de ani) nu se degradează, atunci Universul nu-și poate încălca neutralitatea prin nicio influență umană. Toate corpurile sunt de obicei neutre din punct de vedere electric, adică conțin același număr de electroni și protoni.

Pentru a face un corp încărcat, este necesar să se îndepărteze din el, transferându-l într-un alt corp, sau să se adauge la acesta, luând de la alt corp, un anumit număr N de electroni sau protoni. Sarcina corpului va deveni egală cu Ne. În același timp, este necesar să ne amintim ceea ce este de obicei uitat) că aceeași sarcină a semnului opus (Ne) se formează inevitabil pe un alt corp (sau corpuri). Frecând o tijă de ebonită cu lână, încărcăm nu numai ebonită, ci și lână, transferând o parte din electroni de la unul la altul.

Afirmația despre atracția a două corpuri cu aceleași încărcături opuse conform principiilor verificării și falsificării este științifică, deoarece în principiu poate fi confirmată sau infirmată experimental. Aici experimentul poate fi efectuat pur, fără a implica terți corpuri, prin simpla transferare a unei părți din electroni sau protoni de la unul. organism experimental altcuiva.

Există o imagine complet diferită cu declarația despre respingerea unor acuzații similare. Adevărul este că doar doi, de exemplu, pozitiv, sarcina q1, q2 pentru experiment nu poate fi creat, deoarece atunci când încercați să le creați, este întotdeauna inevitabil apare un al treilea, sarcina negativă q3 = -(qi + q2). Prin urmare, nu doi, și trei acuzații. În principiu, este imposibil să se efectueze un experiment cu două taxe similare.

Prin urmare, afirmația lui Coulomb despre respingerea sarcinilor similare conform principiilor menționate este neștiințifică.

Din același motiv, experimentul cu două sarcini de semne diferite q1, - q2 este, de asemenea, imposibil, dacă aceste sarcini nu sunt egale între ele. Aici apare în mod inevitabil a treia sarcină q3 = q1 - q2, care participă la interacțiune și afectează forța rezultată.

Prezența celei de-a treia acuzații este uitată și nu ține cont de susținătorii orbi ai lui Coulomb. Două cadavre cu taxe identice semne diferite pot fi create prin ruperea atomilor în două părți încărcate și transferarea acestor părți de la un corp la altul. Cu un astfel de decalaj, este necesar să lucrezi și să cheltuiești energie. Desigur, părțile încărcate vor avea tendința de a reveni la starea inițială cu mai puțină energie și de a se combina, adică trebuie să fie atrase una de cealaltă.

Din punctul de vedere al interacțiunii la distanță scurtă, orice interacțiune presupune existența unui schimb între corpuri care interacționează cu ceva material, iar acțiunea instantanee la distanță și telekineza sunt imposibile. Interacțiunile electrostatice între sarcini sunt realizate printr-un câmp electric constant. Nu știm ce este, dar putem spune cu încredere că câmpul este material, deoarece are energie, masă, impuls și o viteză de propagare finită.

luate pentru poza câmp electric linii de forță ies dintr-o încărcătură (pozitivă) și nu se poate rupe într-un gol, dar introduceți întotdeauna o altă sarcină (negativă). Sunt ca tentaculele care se întind de la o sarcină la alta, conectându-le. Pentru a reduce energia sistemului de sarcini, volumul ocupat de câmp tinde la minim. Prin urmare, „tentaculele” întinse ale câmpului electric tind întotdeauna să se contracte ca niște benzi elastice întinse în timpul încărcării. Datorită acestei contracții se realizează atracția sarcinilor opuse. Forța de atracție poate fi măsurată experimental. Ea dă legea lui Coulomb.

Este o chestiune complet diferită în cazul unor acuzații similare. Câmpul electric total a două sarcini iese din fiecare dintre ele și merge la infinit, iar contactul câmpurilor uneia și celorlalte sarcini nu se realizează. „tentaculele” elastice ale unei sarcini nu ajung la alta. Prin urmare, nu există un efect material direct al unei sarcini asupra alteia, nu au cu ce să interacționeze. Din moment ce nu recunoaștem telekineza, prin urmare, nu poate exista repulsie.

Dar cum să explicăm, atunci, divergența petalelor eleroscopului și respingerea sarcinilor observate în experimentele lui Coulomb? Să ne amintim că atunci când creăm două sarcini pozitive pentru experiența noastră, inevitabil formăm o sarcină negativă și în spațiul înconjurător.

Aici atracția față de el este greșită și este considerată repulsie.

Definiția 1

Mulți dintre cei din jurul nostru fenomene fizice care apar în natură, nu găsesc explicație în legile mecanicii, termodinamicii și teoria molecular-cinetică. Astfel de fenomene se bazează pe influența forțelor care acționează între corpuri aflate la distanță și independent de masele corpurilor care interacționează, ceea ce neagă imediat natura lor gravitațională posibilă. Aceste forțe sunt numite electromagnetic.

Chiar și grecii antici aveau o idee despre forțele electromagnetice. Cu toate acestea, abia la sfârșitul secolului al XVIII-lea o sistematică, studiu cantitativ fenomene fizice asociate cu interacțiunea electromagnetică a corpurilor.

Definiția 2

Datorită muncii minuțioase a unui număr mare de oameni de știință în secolul al XIX-lea, a fost finalizată crearea unei științe armonioase absolut noi, care studiază fenomenele magnetice și electrice. Deci una dintre cele mai importante ramuri ale fizicii a fost numită electrodinamică.

Creat de sarcini electrice și curenți, electrice și campuri magnetice au devenit subiectele ei principale de studiu.

Conceptul de sarcină în electrodinamică joacă același rol ca și masa gravitațională în mecanica newtoniană. Este inclus în fundația secțiunii și este primar pentru aceasta.

Definiția 3

Incarcare electrica este o mărime fizică care caracterizează proprietatea particulelor sau a corpurilor de a intra în interacțiuni de forță electromagnetică.

Literele q sau Q în electrodinamică denotă de obicei o sarcină electrică.

Împreună, toate faptele cunoscute dovedite experimental ne permit să tragem următoarele concluzii:

Definiția 4

Există două tipuri de sarcini electrice. Acestea sunt denumite în mod convențional pozitivă și sarcini negative .

Definiția 5

Taxele se pot transfera (de exemplu, prin contact direct) între corpuri. Sarcina electrică, spre deosebire de masa corporală, nu este caracteristica sa integrală. Un singur corp diverse conditii poate lua valori de încărcare diferite.

Definiția 6

Asemenea sarcinilor se resping, spre deosebire de sarcinile se atrag. Acest fapt dezvăluie o altă diferență fundamentală între forțele electromagnetice și gravitaționale. Forțele gravitaționale sunt întotdeauna forțe de atracție.

legea conservării incarcare electrica este una dintre legile fundamentale ale naturii.

LA sistem izolat suma algebrică a sarcinilor tuturor corpurilor este neschimbată:

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

Definiția 7

Legea conservării sarcinii electrice prevede că într-un sistem închis de corpuri nu pot fi observate procese de naștere sau dispariție a sarcinilor de un singur semn.

Din punct de vedere stiinta moderna, purtătorii de sarcină sunt particule elementare. Orice obiect obișnuit este format din atomi. Ele sunt compuse din protoni încărcați pozitiv, electroni încărcați negativ și particule neutre - neutroni. Protonii și neutronii sunt parte integrantă nucleele atomice, în timp ce electronii se formează învelișul de electroni atomi. Prin modul, sarcinile electrice ale protonului și electronului sunt echivalente și egale cu valoarea sarcinii elementare e.

Într-un atom neutru, numărul de electroni din înveliș și numărul de protoni din nucleu este același. Numărul oricăreia dintre particulele date se numește număr atomic.

Un astfel de atom are capacitatea de a pierde și de a câștiga unul sau mai mulți electroni. Când se întâmplă acest lucru, atomul neutru devine un ion încărcat pozitiv sau negativ.

O sarcină poate trece de la un corp la altul doar în porțiuni, care conțin un număr întreg de sarcini elementare. Se pare că sarcina electrică a corpului este o cantitate discretă:

q = ±n e (n = 0, 1, 2,. . . .).

Definiția 8

Se numesc mărimile fizice care au capacitatea de a lua o serie exclusiv discretă de valori cuantificat.

Definiția 9

sarcina elementara e reprezintă un cuantic, adică cea mai mică porțiune posibilă de sarcină electrică.

Definiția 10

Faptul existenței în fizica modernă a particulelor elementare a așa-numitului quarcuri– particule cu sarcină fracționată ± 1 3 e și ± 2 3 e .

Cu toate acestea, oamenii de știință nu au reușit niciodată să observe quarcii în stare liberă.

Definiția 11

Pentru detectarea și măsurarea sarcinilor electrice în laborator, se folosește de obicei un electrometru - un dispozitiv format dintr-o tijă metalică și o săgeată care se poate roti în jurul unei axe orizontale (Fig. 1. 1. 1).

Capul săgeții este izolat de carcasa metalică. În contact cu tija electrometrului, corpul încărcat provoacă distribuirea sarcinilor electrice de același semn de-a lungul tijei și a acului. Impactul forțelor electrice de repulsie face ca acul să devieze la un anumit unghi, prin care este posibilă determinarea sarcinii transferate tijei electrometrului.

Poza 1. unu . unu . Transferul de sarcină de la un corp încărcat la un electrometru.

Un electrometru este un instrument destul de grosier. Sensibilitatea sa nu permite investigarea forțelor de interacțiune a sarcinilor. În 1785, a fost descoperită pentru prima dată legea interacțiunii taxelor fixe. Fizicianul francez Ch. Coulomb a devenit descoperitorul. În experimentele sale, a măsurat forțele de atracție și respingere a bilelor încărcate folosind un dispozitiv pe care l-a proiectat pentru măsurarea sarcinii electrice - o balanță de torsiune (Fig. 1. 1. 2), care are o sensibilitate extrem de mare. Rockerul cântarilor s-a rotit cu 1 ° sub acțiunea unei forțe de aproximativ 10 - 9 N.

Ideea măsurătorilor s-a bazat pe presupunerea fizicianului că atunci când o minge încărcată intră în contact cu aceeași minge neîncărcată, sarcina existentă a primei va fi împărțită în părți egale între corpuri. Astfel, s-a obținut o metodă de a schimba încărcarea mingii de două sau mai multe ori.

Definiția 12

Coulomb în experimentele sale a măsurat interacțiunea dintre bile, ale căror dimensiuni erau mult mai mici decât distanța care le separa, din cauza cărora puteau fi neglijate. Astfel de corpuri încărcate sunt numite taxe punctuale.

Poza 1. unu . 2. Dispozitivul Coulomb.

Poza 1. unu . 3 . Forțe de interacțiune ale sarcinilor asemănătoare și diferite.

Pe baza multor experimente, Coulomb a stabilit următoarea lege:

Definiția 13

Forțele de interacțiune ale sarcinilor fixe sunt direct proporționale cu produsul modulelor de sarcină și invers proporționale cu pătratul distanței dintre ele: F = k q 1 · q 2 r 2 .

Forțele de interacțiune sunt forțe repulsive cu aceleași semne de sarcini și forțe atractive cu semne diferite (Fig. 1.1.3) și respectă, de asemenea, cea de-a treia lege a lui Newton:
F 1 → = - F 2 →.

Definiția 14

Coulomb sau interacțiunea electrostatică este efectul sarcinilor electrice staționare unul asupra celuilalt.

Definiția 15

Secțiunea de electrodinamică dedicată studiului interacțiunii Coulomb se numește electrostatică.

Legea lui Coulomb poate fi aplicată corpurilor punctiforme încărcate. În practică, se îndeplinește pe deplin dacă dimensiunile corpurilor încărcate pot fi neglijate din cauza distanței dintre obiectele de interacțiune care este mult mai mare decât acestea.

Coeficientul de proporționalitate k din legea lui Coulomb depinde de alegerea sistemului de unități.

LA sistem international C Iar unitatea de măsură a sarcinii electrice este pandantivul (K l).

Definiția 16

Pandantiv- aceasta este o sarcină care trece în 1 s prin secțiunea transversală a conductorului la o putere de curent de 1 A. Unitatea de putere a curentului (amperi) în C Și este, împreună cu unitățile de lungime, timp și masă, unitatea principală de măsurare.

Coeficientul k în sistemul C Și în cele mai multe cazuri este scris ca următoarea expresie:

k = 1 4 π ε 0 .

În care ε 0 \u003d 8, 85 10 - 12 K l 2 N m 2 este o constantă electrică.

În sistemul C AND, sarcina elementară e este:

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

Pe baza experienței, putem spune că forțele interacțiunii Coulomb se supun principiului suprapunerii.

Teorema 1

Dacă un corp încărcat interacționează simultan cu mai multe corpuri încărcate, atunci forța rezultată care acționează asupra acestui corp este egală cu suma vectorială a forțelor care acționează asupra acestui corp de la toate celelalte corpuri încărcate.

Figura 1. unu . 4, folosind exemplul interacțiunii electrostatice a trei corpuri încărcate, este explicat principiul suprapunerii.

Poza 1. unu . patru . Principiul suprapunerii forțelor electrostatice F → = F 21 → + F 31 → ; F 2 → = F 12 → + F 32 →; F 3 → = F 13 → + F 23 →.

Poza 1. unu . 5 . Model de interacțiune taxe punctuale.

Deși principiul suprapunerii este o lege fundamentală a naturii, utilizarea lui necesită o anumită atenție atunci când este aplicată interacțiunii corpurilor încărcate de dimensiuni finite. Două bile încărcate conductoare 1 și 2 pot servi drept exemplu. Dacă o altă bilă încărcată este adusă într-un astfel de sistem format din două bile încărcate, atunci interacțiunea dintre 1 și 2 se va modifica din cauza redistribuirii încărcăturilor.

Principiul suprapunerii presupune că forțele de interacțiune electrostatică dintre oricare două corpuri nu depind de prezența altor corpuri cu sarcină, cu condiția ca distribuția sarcinilor să fie fixă ​​(dată).

Dacă observați o greșeală în text, vă rugăm să o evidențiați și să apăsați Ctrl+Enter

Incarcare electrica- o mărime fizică care caracterizează capacitatea corpurilor de a intra în interacțiuni electromagnetice. Măsurată în Coulomb.

sarcina electrica elementara- sarcina minima pe care o au particulele elementare (sarcina unui proton si a unui electron).

e= Cl

Corpul are o sarcină, înseamnă că are electroni suplimentari sau lipsă. Această taxă este indicată q = ne. (este egal cu numărul de sarcini elementare).

electriza corpul- să creeze un exces și o lipsă de electroni. Modalitati: electrificare prin frecareși electrificare prin contact.

cu precizie zorii e - sarcina corpului, care poate fi luată ca punct material.

acuzație de probă () - un punct, sarcină mică, neapărat pozitivă - este folosit pentru a studia câmpul electric.

Legea conservării sarcinii: într-un sistem izolat, suma algebrică a sarcinilor tuturor corpurilor rămâne constantă pentru orice interacțiuni ale acestor corpuri între ele..

Legea lui Coulomb: forțele de interacțiune a două sarcini punctiforme sunt proporționale cu produsul acestor sarcini, invers proporționale cu pătratul distanței dintre ele, depind de proprietățile mediului și sunt direcționate de-a lungul dreptei care leagă centrele lor..

, Unde
F/m, C2/nm2 - dielectric. rapid. vid

- relateaza. constanta dielectrica (>1)

- permeabilitatea dielectrică absolută. medii

Câmp electric- mediul material prin care are loc interacţiunea sarcinilor electrice.

Proprietățile câmpului electric:

Caracteristicile câmpului electric:

tensiune (E) este o mărime vectorială, egal cu puterea acţionând asupra unei încărcături de testare unitare plasată într-un punct dat.

Măsurat în N/C.

Direcţie este aceeași ca și pentru forța activă.

tensiunea nu depinde nici pe putere, nici pe amploarea acuzației de judecată.

Suprapunerea câmpurilor electrice: puterea câmpului creat de mai multe sarcini este egală cu suma vectorială a intensităților câmpului fiecărei sarcini:

Grafic Câmpul electronic este reprezentat folosind linii de tensiune.

linie de tensiune- o dreaptă, tangenta la care în fiecare punct coincide cu direcția vectorului de tensiune.

Proprietățile liniei de stres: nu se intersectează, prin fiecare punct se poate trasa o singură linie; nu sunt închise, lasă o sarcină pozitivă și intră în una negativă sau se risipesc la infinit.

Tipuri de câmpuri:

Câmp electric uniform- un câmp, al cărui vector de intensitate în fiecare punct este același ca valoare absolută și direcție.

Câmp electric neuniform- un câmp, al cărui vector de intensitate în fiecare punct nu este același ca valoare și direcție absolută.

Câmp electric constant– vectorul tensiune nu se modifică.

Câmp electric neconstant- vectorul tensiune se modifică.

Lucrul câmpului electric pentru a muta sarcina.

, unde F este forța, S este deplasarea, - unghiul dintre F și S.

Pentru câmp omogen: forța este constantă.

Lucrarea nu depinde de forma traiectoriei; munca depusă pentru a se deplasa pe o cale închisă este zero.

Pentru un câmp neomogen:

Potențialul câmpului electric- raportul dintre munca pe care o face câmpul, deplasând sarcina electrică de probă la infinit, la mărimea acestei sarcini.

- potenţial este caracteristica energetică a câmpului. Măsurată în Volți

Diferenta potentiala:

În cazul în care un
, apoi

, mijloace

- gradient de potențial.

Pentru un câmp omogen: diferența de potențial - Voltaj:

. Se măsoară în Volți, dispozitive - voltmetre.

Capacitate electrică- capacitatea corpurilor de a acumula o sarcină electrică; raportul dintre sarcină și potențial, care este întotdeauna constant pentru un conductor dat.

.

Nu depinde de sarcină și nu depinde de potențial. Dar depinde de dimensiunea și forma conductorului; asupra proprietăților dielectrice ale mediului.

, unde r este dimensiunea,
- permeabilitatea mediului în jurul corpului.

Capacitatea electrică crește dacă există corpuri în apropiere - conductori sau dielectrici.

Condensator- un dispozitiv pentru acumularea unei încărcări. Capacitate electrica:

Condensator plat- doua placi metalice cu un dielectric intre ele. Capacitatea unui condensator plat:

, unde S este aria plăcilor, d este distanța dintre plăci.

Energia unui condensator încărcat este egală cu munca efectuată de câmpul electric în transferul sarcinii de la o placă la alta.

Transfer mic de taxe
, tensiunea se va schimba la
, se va lucra
. pentru că
, și С = const,
. Apoi
. Integram:

Energia câmpului electric:
, unde V=Sl este volumul ocupat de câmpul electric

Pentru un domeniu neomogen:
.

Densitatea câmpului electric volumetric:
. Măsurat în J/m 3.

dipol electric- un sistem format din două sarcini electrice punctiforme egale, dar opuse ca semn, situate la o oarecare distanță una de alta (brațul dipolului - l).

Caracteristica principală a unui dipol este moment dipol este un vector egal cu produsul dintre sarcina si bratul dipolului, indreptat de la o sarcina negativa la una pozitiva. Notat
. Măsurată în metri coulomb.

Dipol într-un câmp electric uniform.

Forțele care acționează asupra fiecărei sarcini ale dipolului sunt:
și
. Aceste forțe sunt direcționate opus și creează un moment al unei perechi de forțe - cuplu: , unde

M - cuplul F - forțele care acționează asupra dipolului

d – braț de forță l – braț dipol

p - momentul dipol E - intensitatea

- unghiul dintre p si E q - sarcina

Sub acțiunea unui cuplu, dipolul se va întoarce și se va stabili în direcția liniilor de tensiune. Vectorii p și E vor fi paraleli și unidirecționali.

Dipol într-un câmp electric neomogen.

Există un cuplu, așa că dipolul se va întoarce. Dar forțele vor fi inegale, iar dipolul se va deplasa acolo unde forța este mai mare.

- gradient de rezistență. Cu cât este mai mare gradientul de tensiune, cu atât este mai mare forța laterală care scoate dipolul. Dipolul este orientat de-a lungul liniilor de forță.

Câmpul propriu al lui Dipol.

Dar . Apoi:

.

Fie dipolul în punctul O și brațul său mic. Apoi:

.

Formula a fost obținută ținând cont de:

Astfel, diferența de potențial depinde de sinusul semiunghiului la care sunt vizibile punctele dipol și de proiecția momentului dipol pe linia dreaptă care leagă aceste puncte.

Dielectricii într-un câmp electric.

Dielectric- o substanță care nu are taxe gratuite și, prin urmare, nu conduce electricitate. Cu toate acestea, de fapt, conductivitate există, dar este neglijabilă.

Clase dielectrice:

cu molecule polare (apă, nitrobenzen): moleculele nu sunt simetrice, centrele de masă ale sarcinilor pozitive și negative nu coincid, ceea ce înseamnă că au moment dipolar chiar și în cazul în care nu există câmp electric.

cu molecule nepolare (hidrogen, oxigen): moleculele sunt simetrice, centrele de masă ale sarcinilor pozitive și negative coincid, ceea ce înseamnă că nu au moment dipol în absența unui câmp electric.

cristalin (clorură de sodiu): o combinație de două subrețele, dintre care una este încărcată pozitiv, iar cealaltă este încărcată negativ; în absența unui câmp electric, momentul dipolar total este zero.

Polarizare- procesul de separare spațială a sarcinilor, apariția sarcinilor legate pe suprafața dielectricului, ceea ce duce la o slăbire a câmpului din interiorul dielectricului.

Modalități de polarizare:

1 cale - polarizare electrochimică:

Pe electrozi - mișcarea cationilor și anionilor spre ei, neutralizarea substanțelor; se formează zone de sarcini pozitive și negative. Curentul scade treptat. Viteza de stabilire a mecanismului de neutralizare se caracterizează prin timpul de relaxare - acesta este timpul în care EMF de polarizare va crește de la 0 la maxim din momentul aplicării câmpului. = 10 -3 -10 -2 s.

Metoda 2 - polarizarea orientativă:

Pe suprafața dielectricului se formează polari necompensate, adică. apare polarizarea. Tensiunea din interiorul dielectricului este mai mică decât tensiunea externă. Timp de relaxare: = 10 -13 -10 -7 s. Frecventa 10 MHz.

3 căi - polarizare electronică:

Caracteristic moleculelor nepolare care devin dipoli. Timp de relaxare: = 10 -16 -10 -14 s. Frecvență 10 8 MHz.

4 căi - polarizare ionică:

Două rețele (Na și Cl) sunt deplasate unul față de celălalt.

Timp de relaxare:

Metoda 5 - polarizare microstructurală:

Este tipic pentru structurile biologice atunci când straturile încărcate și neîncărcate alternează. Există o redistribuire a ionilor pe pereții semipermeabile sau impermeabile la ioni.

Timp de relaxare: \u003d 10 -8 -10 -3 s. Frecvență 1 kHz

Caracteristicile numerice ale gradului de polarizare:

Electricitate este deplasarea ordonată a taxelor gratuite în materie sau în vid.

Condiții pentru existența unui curent electric:

prezența taxelor gratuite

prezența unui câmp electric, adică forţelor care acţionează asupra acestor acuzaţii

Puterea curentului- o valoare egală cu sarcina care trece prin orice secțiune transversală a conductorului pe unitate de timp (1 secundă)

Măsurată în amperi.

n este concentrația sarcinilor

q este valoarea taxei

S este aria secțiunii transversale a conductorului

- viteza de mișcare direcționată a particulelor.

Viteza de mișcare a particulelor încărcate într-un câmp electric este mică - 7 * 10 -5 m / s, viteza de propagare a câmpului electric este de 3 * 10 8 m / s.

densitatea curentă- cantitatea de sarcină care trece în 1 secundă printr-o secțiune de 1 m2.

. Măsurat în A/m2.

- forta care actioneaza asupra ionului din partea campului electric este egala cu forta de frecare

- mobilitate ionică

- viteza de mișcare direcționată a ionilor = mobilitate, puterea câmpului

Conductivitatea specifică a electrolitului este cu atât mai mare, cu atât concentrația ionilor, sarcina și mobilitatea acestora sunt mai mari. Pe măsură ce temperatura crește, mobilitatea ionilor crește și conductivitatea electrică crește.

Eseu despre inginerie electrică

Completat de: Roman Agafonov

Colegiul Agro-Industrial Luga

Este imposibil să oferim o scurtă definiție a taxei care să fie satisfăcătoare din toate punctele de vedere. Suntem obișnuiți să găsim explicații înțelese pentru formațiuni și procese foarte complexe, cum ar fi atomul, cristalele lichide, distribuția moleculelor în funcție de viteze și așa mai departe. Dar conceptele cele mai de bază, fundamentale, indivizibile în altele mai simple, lipsite, conform științei de astăzi, de orice mecanism intern, nu pot fi explicate pe scurt într-un mod satisfăcător. Mai ales dacă obiectele nu sunt percepute direct de simțurile noastre. Sarcina electrică aparține unor astfel de concepte fundamentale.

Să încercăm mai întâi să aflăm nu ce este o sarcină electrică, ci ce se ascunde în spatele afirmației, un anumit corp sau particulă are o sarcină electrică.

Știți că toate corpurile sunt construite din cele mai mici, indivizibile, în particule mai simple (din câte se cunoaște știința în prezent), care sunt, prin urmare, numite elementare. Toate particulele elementare au masă și datorită acestui fapt sunt atrase unele de altele. Conform legii gravitatie forța de atracție scade relativ lent pe măsură ce distanța dintre ele crește: invers proporțional cu pătratul distanței. În plus, majoritatea particulelor elementare, deși nu toate, au capacitatea de a interacționa între ele cu o forță care scade și invers cu pătratul distanței, dar această forță este un număr imens, de ori mai mare decât forța gravitației. Deci, în atomul de hidrogen, prezentat schematic în figura 1, electronul este atras de nucleu (proton) cu o forță de 1039 de ori mai mare decât forța de atracție gravitațională.

Dacă particulele interacționează între ele cu forțe care scad încet cu distanța și sunt de multe ori mai mari decât forțele gravitației universale, atunci se spune că aceste particule au o sarcină electrică. Particulele în sine sunt numite încărcate. Există particule fără sarcină electrică, dar nu există sarcină electrică fără particule.

Interacțiunile dintre particulele încărcate se numesc electromagnetice. Când spunem că electronii și protonii sunt încărcați electric, înseamnă că sunt capabili de interacțiuni de un anumit tip (electromagnetice) și nimic mai mult. Absența unei sarcini asupra particulelor înseamnă că nu detectează astfel de interacțiuni. Sarcina electrică determină intensitatea interacțiuni electromagnetice, la fel cum masa determină intensitatea interacțiunilor gravitaționale. Sarcina electrică este a doua cea mai importantă caracteristică a particulelor elementare (după masă), care determină comportamentul lor în lumea înconjurătoare.

În acest fel

Sarcina electrică este o mărime scalară fizică care caracterizează proprietatea particulelor sau a corpurilor de a intra în interacțiuni de forță electromagnetică.

Sarcina electrică este notă cu literele q sau Q.

La fel cum în mecanică este adesea folosit conceptul de punct material, ceea ce face posibilă simplificarea semnificativă a soluționării multor probleme, atunci când se studiază interacțiunea sarcinilor, conceptul de sarcină punctuală se dovedește a fi eficient. O sarcină punctiformă este un corp încărcat ale cărui dimensiuni sunt mult mai mici decât distanța de la acest corp până la punctul de observație și alte corpuri încărcate. În special, dacă vorbim despre interacțiunea a două sarcini punctuale, atunci presupunem că distanța dintre cele două corpuri încărcate luate în considerare este mult mai mare decât dimensiunile lor liniare.

Sarcina electrică a unei particule elementare nu este un „mecanism” special dintr-o particulă care ar putea fi îndepărtată din ea, descompusă în părțile sale componente și reasamblată. Prezența unei sarcini electrice într-un electron și alte particule înseamnă doar existența anumitor interacțiuni între ele.

În natură, există particule cu sarcini de semne opuse. Sarcina unui proton se numește pozitivă, iar cea a unui electron se numește negativă. Semnul pozitiv al sarcinii unei particule nu înseamnă, desigur, că are avantaje speciale. Introducerea sarcinilor a două semne exprimă pur și simplu faptul că particulele încărcate se pot atrage și respinge. Particulele cu același semn de sarcină se resping reciproc, iar cu semne diferite se atrag.

Nu există nicio explicație a motivelor existenței a două tipuri de sarcini electrice acum. În orice caz, nu se găsesc diferențe fundamentale între sarcinile pozitive și negative. Dacă semnele sarcinilor electrice ale particulelor ar fi inversate, atunci natura interacțiunilor electromagnetice din natură nu s-ar schimba.

Sarcinile pozitive și negative sunt foarte bine compensate în univers. Și dacă Universul este finit, atunci sarcina sa electrică totală, după toate probabilitățile, este egală cu zero.

Cel mai remarcabil lucru este că sarcina electrică a tuturor particulelor elementare este strict aceeași în valoare absolută. Există o sarcină minimă, numită elementară, pe care o posedă toate particulele elementare încărcate. Sarcina poate fi pozitivă, ca un proton, sau negativă, ca un electron, dar modulul de sarcină este același în toate cazurile.

Este imposibil să separați o parte a sarcinii, de exemplu, de un electron. Acesta este poate cel mai uimitor lucru. Nicio teorie modernă nu poate explica de ce sarcinile tuturor particulelor sunt aceleași și nu poate calcula valoarea sarcinii electrice minime. Se determină experimental cu ajutorul diverselor experimente.

În anii 1960, după ce numărul de particule elementare nou descoperite a început să crească amenințător, a fost înaintată ipoteza că toate particulele care interacționează puternic sunt compozite. Particulele mai fundamentale au fost numite quarci. S-a dovedit a fi izbitor că quarcii ar trebui să aibă o sarcină electrică fracțională: 1/3 și 2/3 din sarcina elementară. Pentru a construi protoni și neutroni, sunt suficiente două tipuri de quarci. Iar numărul lor maxim, aparent, nu depășește șase.

Este imposibil să se creeze un standard macroscopic al unității de sarcină electrică, similar cu standardul de lungime - un metru, din cauza scurgerii inevitabile de sarcină. Ar fi firesc să luăm sarcina electronului ca unitate (acest lucru se face acum în fizica atomică). Dar pe vremea lui Coulomb, existența unui electron în natură nu era încă cunoscută. În plus, sarcina electronilor este prea mică și, prin urmare, dificil de utilizat ca referință.

Există două tipuri de sarcini electrice, numite în mod convențional pozitive și negative. Corpurile încărcate pozitiv sunt cele care acționează asupra altor corpuri încărcate în același mod ca sticla electrificată prin frecare cu mătase. Corpurile încărcate negativ sunt cele care acționează în același mod ca ebonita electrizată prin frecare cu lâna. Alegerea numelui „pozitiv” pentru încărcăturile care apar pe sticlă și „negativ” pentru încărcăturile pe ebonită este complet accidentală.

Taxele pot fi transferate (de exemplu, prin contact direct) de la un corp la altul. Spre deosebire de masa corporală, sarcina electrică nu este o caracteristică inerentă a unui corp dat. Același corp în diferite condiții poate avea o încărcătură diferită.

Asemenea sarcinilor se resping, spre deosebire de sarcinile se atrag. Aceasta arată, de asemenea, diferența fundamentală dintre forțele electromagnetice și cele gravitaționale. Forțele gravitaționale sunt întotdeauna forțe de atracție.

O proprietate importantă a unei sarcini electrice este discretitatea acesteia. Aceasta înseamnă că există o sarcină elementară cea mai mică, universală, indivizibilă, astfel încât sarcina q a oricărui corp este un multiplu al acestei sarcini elementare:

unde N este un număr întreg, e este valoarea sarcinii elementare. Conform conceptelor moderne, această sarcină este numeric egală cu sarcina electronilor e = 1,6∙10-19 C. Deoarece mărimea sarcinii elementare este foarte mică, pentru majoritatea corpurilor încărcate observate și utilizate în practică, numărul N este foarte mare, iar natura discretă a modificării sarcinii nu se manifestă. Prin urmare, se crede că în condiții normale sarcina electrică a corpurilor se modifică aproape continuu.

Legea conservării sarcinii electrice.

În interiorul unui sistem închis, pentru orice interacțiune, suma algebrică a sarcinilor electrice rămâne constantă:

Un sistem izolat (sau închis) îl vom numi un sistem de corpuri în care nu sunt introduse sarcini electrice din exterior și nu sunt îndepărtate din acesta.

Nicăieri și niciodată în natură nu apare și nu dispare o sarcină electrică de același semn. Apariția unei sarcini electrice pozitive este întotdeauna însoțită de apariția unei sarcini negative egale în valoare absolută. Nici o sarcină pozitivă, nici una negativă nu pot dispărea separat, ele se pot neutraliza reciproc doar dacă sunt egale în valoare absolută.

Deci particulele elementare se pot transforma unele în altele. Dar întotdeauna la nașterea particulelor încărcate se observă apariția unei perechi de particule cu sarcini de semn opus. Se poate observa și nașterea simultană a mai multor astfel de perechi. Particulele încărcate dispar, transformându-se în neutre, tot în perechi. Toate aceste fapte nu lasă îndoieli cu privire la aplicarea strictă a legii conservării sarcinii electrice.

Motivul conservării sarcinii electrice este încă necunoscut.

Electrificarea corpului

Corpurile macroscopice sunt, de regulă, neutre din punct de vedere electric. Un atom al oricărei substanțe este neutru, deoarece numărul de electroni din el este egal cu numărul de protoni din nucleu. Particulele încărcate pozitiv și negativ se leagă între ele forte electriceși formează sisteme neutre.

Un corp mare este încărcat atunci când conține un exces de particule elementare cu același semn de sarcină. Sarcina negativă a corpului se datorează unui exces de electroni în comparație cu protonii, iar sarcina pozitivă se datorează lipsei acestora.

Pentru a obține un corp macroscopic încărcat electric sau, după cum se spune, pentru a-l electriza, este necesar să se separe o parte din sarcina negativă de sarcina pozitivă asociată acesteia.

Cel mai simplu mod de a face acest lucru este prin frecare. Dacă treceți un pieptene prin păr, atunci o mică parte din particulele cele mai mobile încărcate - electronii - vor trece din păr în pieptene și îl vor încărca negativ, iar părul va fi încărcat pozitiv. Când sunt electrizate prin frecare, ambele corpuri capătă sarcini de semn opus, dar identice ca mărime.

Este foarte ușor să electrizați corpurile prin frecare. Dar pentru a explica cum se întâmplă acest lucru, sa dovedit a fi o sarcină foarte dificilă.

1 versiune. Când electrizați corpurile, este important contactul strâns între ele. Forțele electrice țin electronii în interiorul corpului. Dar pentru diferite substanțe aceste forțe sunt diferite. În contact strâns, o mică parte din electronii substanței, în care legătura electronilor cu corpul este relativ slabă, trece într-un alt corp. În acest caz, deplasările electronilor nu depășesc dimensiunile distanțelor interatomice (10-8 cm). Dar dacă cadavrele sunt separate, atunci ambele vor fi acuzate. Deoarece suprafețele corpurilor nu sunt niciodată perfect netede, contactul strâns între corpuri necesar tranziției se stabilește doar în zone mici ale suprafețelor. Când corpurile se freacă unele de altele, numărul de zone cu contact apropiat crește și, prin urmare, numărul total de particule încărcate care trec de la un corp la altul crește. Dar nu este clar cum se pot mișca electronii în substanțe neconductoare (izolatori) precum ebonita, plexiglas și altele. Ele sunt legate în molecule neutre.

2 versiune. Pe exemplul unui cristal ionic LiF (izolator), această explicație arată astfel. În timpul formării unui cristal, apar diferite tipuri de defecte, în special locuri libere - locuri neumplute în nodurile rețelei cristaline. Dacă numărul de posturi vacante pentru ionii pozitivi litiu și negativ - fluorul nu este același, atunci cristalul va fi încărcat în volum în timpul formării. Dar încărcarea în ansamblu nu poate fi stocată în cristal pentru o lungă perioadă de timp. Întotdeauna există o anumită cantitate de ioni în aer, iar cristalul îi va trage din aer până când sarcina cristalului este neutralizată de stratul de ioni de pe suprafața sa. Izolatorii diferiți au sarcini spațiale diferite și, prin urmare, sarcinile straturilor de suprafață ale ionilor sunt diferite. În timpul frecării, straturile de suprafață ale ionilor sunt amestecate, iar atunci când izolatorii sunt separați, fiecare dintre ei devine încărcat.

Două izolatoare identice pot deveni electrificate în timpul frecării, de exemplu, aceleași cristale LiF? Dacă au aceleași sarcini spațiale intrinseci, atunci nu. Dar pot avea și sarcini intrinseci diferite dacă condițiile de cristalizare au fost diferite și a apărut un număr diferit de locuri libere. După cum a arătat experiența, electrificarea în timpul frecării cristalelor identice de rubin, chihlimbar etc. poate avea loc într-adevăr. Cu toate acestea, această explicație nu este corectă în toate cazurile. Dacă corpurile constau, de exemplu, din cristale moleculare, atunci apariția unor locuri libere în ele nu ar trebui să conducă la încărcarea corpului.

O altă metodă de electrificare a corpurilor este impactul asupra acestora al diferitelor radiații (în special, ultraviolete, raze X și radiații γ). Această metodă este cea mai eficientă pentru electrizarea metalelor, atunci când electronii sunt scoși de pe suprafața metalului sub acțiunea radiației, iar conductorul capătă o sarcină pozitivă.

Electrificare prin influență. Conductorul este încărcat nu numai la contactul cu un corp încărcat, ci și atunci când acesta se află la o anumită distanță. Să explorăm acest fenomen mai detaliat. Atârnăm coli ușoare de hârtie pe un conductor izolat (Fig. 3). Dacă conductorul nu este încărcat inițial, frunzele vor fi în poziția nedeflexată. Să ne apropiem acum de conductor cu o bilă metalică izolată, puternic încărcată, de exemplu, cu o tijă de sticlă. Vom vedea că foile suspendate la capetele corpului, în punctele a și b, sunt deviate, deși corpul încărcat nu atinge conductorul. Conductorul era încărcat prin influență, motiv pentru care fenomenul în sine a fost numit „electrificare prin influență” sau „inducție electrică”. Sarcinile obtinute prin inductie electrica se numesc induse sau induse. Frunzele suspendate aproape de mijlocul corpului, în punctele a’ și b’, nu se abate. Aceasta înseamnă că sarcinile induse apar numai la capetele corpului, în timp ce mijlocul său rămâne neutru sau neîncărcat. Prin aducerea unei baghete de sticlă electrificată la foile suspendate în punctele a și b, este ușor să vă asigurați că foile din punctul b sunt respinse de aceasta, iar foile din punctul a sunt atrase. Aceasta înseamnă că la capătul îndepărtat al conductorului apare o sarcină de același semn ca și pe minge, iar încărcături cu un semn diferit apar pe părțile din apropiere. După ce scoatem bila încărcată, vom vedea că foile vor cădea. Fenomenul se desfășoară într-un mod complet analog dacă experimentul se repetă prin încărcarea negativă a mingii (de exemplu, cu ajutorul cerii de etanșare).

Din punctul de vedere al teoriei electronice, aceste fenomene se explică ușor prin existența electronilor liberi într-un conductor. Când o sarcină pozitivă este aplicată unui conductor, electronii sunt atrași de acesta și se acumulează la cel mai apropiat capăt al conductorului. Pe el se află un anumit număr de electroni „în exces”, iar această parte a conductorului este încărcată negativ. La capătul îndepărtat, există o lipsă de electroni și, în consecință, un exces de ioni pozitivi: aici apare o sarcină pozitivă.

Când un corp încărcat negativ este adus la conductor, electronii se acumulează la capătul îndepărtat, iar la capătul apropiat se obține un exces de ioni pozitivi. După îndepărtarea sarcinii, care provoacă mișcarea electronilor, aceștia sunt din nou distribuiti peste conductor, astfel încât toate secțiunile acestuia sunt încă neîncărcate.

Mișcarea sarcinilor de-a lungul conductorului și acumularea lor la capetele acestuia vor continua până când efectul sarcinilor în exces formate la capetele conductorului echilibrează acele forțe electrice emanate din bilă, sub influența cărora are loc redistribuirea electronilor. Absența unei sarcini la mijlocul corpului arată că aici se echilibrează forțele care emană din minge, iar forțele cu care surplusul de sarcini acumulate la capetele conductorului acționează asupra electronilor liberi.

Sarcinile induse pot fi separate dacă, în prezența unui corp încărcat, conductorul este împărțit în părți. O astfel de experiență este prezentată în fig. 4. În acest caz, electronii deplasați nu se mai pot întoarce înapoi după îndepărtarea bilei încărcate; întrucât există un dielectric (aer) între ambele părți ale conductorului. Electronii în exces sunt distribuiți pe toată partea stângă; lipsa electronilor în punctul b este parțial completată din regiunea punctului b', astfel încât fiecare parte a conductorului se dovedește a fi încărcată: stânga - cu o sarcină opusă în semnul sarcinii mingii, dreapta - cu o încărcătură cu același nume cu încărcarea mingii. Nu numai frunzele diverg în punctele a și b, ci și foile care anterior au rămas nemișcate în punctele a’ și b’.

Burov L.I., Strelchenya V.M. Fizica de la A la Z: pentru studenți, solicitanți, tutori. - Minsk: Paradox, 2000. - 560 p.

Myakishev G.Ya. Fizica: electrodinamica. 10-11 celule: manual. Pentru studiu aprofundat fizica /G.Ya. Myakishev, A.Z. Sinyakov, B.A. Slobodskov. - M.Zh Drofa, 2005. - 476 p.

Fizica: Proc. alocație pentru 10 celule. şcoală si cursuri cu aprofundare. studiu fizicieni / O. F. Kabardin, V. A. Orlov, E. E. Evenchik și alții; Ed. A. A. Pinsky. - Ed. a II-a. – M.: Iluminismul, 1995. – 415 p.

Manual elementar de fizică: un ghid de studiu. În 3 volume / Ed. G.S. Landsberg: T. 2. Electricitate și magnetism. - M: FIZMATLIT, 2003. - 480 p.

Dacă freci o tijă de sticlă pe o foaie de hârtie, atunci bățul va dobândi capacitatea de a atrage frunzele „sultanului”, pufurile, șuvoaiele subțiri de apă. Când pieptănați părul uscat cu un pieptene din plastic, părul este atras de pieptene. În aceste exemple simple, ne întâlnim cu manifestarea unor forțe care sunt numite electrice.

Corpurile sau particulele care acționează asupra obiectelor din jur prin forțe electrice se numesc încărcate sau electrizate. De exemplu, tija de sticlă menționată mai sus, după ce a fost frecata de o coală de hârtie, se electrifică.

Particulele au o sarcină electrică dacă interacționează între ele prin forțe electrice. Forțele electrice scad pe măsură ce distanța dintre particule crește. Forțele electrice sunt de multe ori mai mari decât forțele gravitației universale.

Sarcina electrică este o mărime fizică care determină intensitatea interacțiunilor electromagnetice.

Interacțiunile electromagnetice sunt interacțiuni între particule sau corpuri încărcate.

Sarcinile electrice sunt împărțite în pozitive și negative. Particulele elementare stabile - protoni și pozitroni, precum și ionii atomilor de metal etc. au o sarcină pozitivă. Purtătorii de sarcină negativă stabili sunt electronul și antiprotonul.

Există particule neîncărcate electric, adică neutre: neutroni, neutrini. Aceste particule nu participă la interacțiunile electrice, deoarece sarcina lor electrică este zero. Există particule fără sarcină electrică, dar nu există sarcină electrică fără particule.

Pe sticla frecata cu mătase, apar sarcini pozitive. Pe ebonită, ponosit pe blană - sarcini negative. Particulele se resping cu sarcini de același semn (ca sarcinile) și cu semne diferite (sarcini opuse), particulele se atrag.

Toate corpurile sunt formate din atomi. Atomii sunt formați din încărcați pozitiv nucleul atomicși electroni încărcați negativ care se mișcă în jurul nucleului unui atom. Nucleul atomic este format din protoni încărcați pozitiv și particule neutre - neutroni. Sarcinile dintr-un atom sunt distribuite în așa fel încât atomul în ansamblu să fie neutru, adică suma sarcinilor pozitive și negative din atom este zero.

Electronii și protonii fac parte din orice substanță și sunt cele mai mici particule elementare stabile. Aceste particule pot exista la infinit în stare liberă. Sarcina electrică a electronului și protonului se numește sarcină elementară.

Sarcina elementară este sarcina minimă pe care o posedă toate particulele elementare încărcate. Sarcina electrică a protonului este egală în valoare absolută cu sarcina electronului:

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

Valoarea oricărei taxe este un multiplu al valorii absolute sarcina elementara, adică sarcina electronului. Electron în traducere din electronul grecesc - chihlimbar, proton - din grecescul protos - primul, neutron din latinescul neutrum - nici unul, nici celălalt.

Experimente simple privind electrificarea diferitelor corpuri ilustrează următoarele puncte.

1. Există două tipuri de sarcini: pozitive (+) și negative (-). O sarcină pozitivă apare atunci când sticla este frecată de piele sau mătase, iar o sarcină negativă apare atunci când chihlimbarul (sau ebonita) este frecat de lână.

2. Taxe (sau corpuri încărcate) interacționează între ele. Taxe cu același nume respinge, și încărcături de semne contrarii sunt atrași.

3. Starea de electrificare poate fi transferată de la un corp la altul, ceea ce este asociat cu transferul de sarcină electrică. În acest caz, o sarcină mai mare sau mai mică poate fi transferată corpului, adică taxa are o valoare. Atunci când sunt electrizate prin frecare, ambele corpuri capătă o sarcină, unul fiind pozitiv, iar celălalt negativ. Trebuie subliniat faptul că valorile absolute ale sarcinilor corpurilor electrizate prin frecare sunt egale, ceea ce este confirmat de numeroase măsurători ale sarcinilor cu ajutorul electrometrelor.

A devenit posibil să se explice de ce corpurile sunt electrificate (adică, încărcate) în timpul frecării după descoperirea electronului și studiul structurii atomului. După cum știți, toate substanțele sunt compuse din atomi; atomii, la rândul lor, constau din particule elementare - încărcate negativ electroni, incarcat pozitiv protoniși particule neutre - neutroni. Electronii și protonii sunt purtători de sarcini electrice elementare (minimale).

sarcina electrica elementara ( e) - aceasta este cea mai mică sarcină electrică, pozitivă sau negativă, egală cu mărimea sarcinii electronului:

e = 1,6021892(46) 10 -19 C.

Există multe particule elementare încărcate și aproape toate au o sarcină. +e sau -e, cu toate acestea, aceste particule sunt de foarte scurtă durată. Ei trăiesc mai puțin de o milioneme de secundă. Doar electronii și protonii există în stare liberă la nesfârșit.

Protonii și neutronii (nucleonii) alcătuiesc nucleul încărcat pozitiv al atomului, în jurul căruia se rotesc electronii încărcați negativ, al căror număr este egal cu numărul de protoni, astfel încât atomul în ansamblu este o centrală electrică.

În condiții normale, corpurile formate din atomi (sau molecule) sunt neutre din punct de vedere electric. Cu toate acestea, în procesul de frecare, unii dintre electronii care și-au părăsit atomii se pot muta dintr-un corp în altul. În acest caz, deplasările electronilor nu depășesc dimensiunile distanțelor interatomice. Dar dacă corpurile sunt separate după frecare, atunci ele vor fi încărcate; corpul care a donat o parte din electronii săi va fi încărcat pozitiv, iar corpul care i-a dobândit va fi încărcat negativ.

Deci, corpurile devin electrificate, adică primesc o sarcină electrică atunci când pierd sau câștigă electroni. În unele cazuri, electrificarea se datorează mișcării ionilor. În acest caz, nu apar noi sarcini electrice. Există doar o împărțire a sarcinilor disponibile între corpurile electrificate: o parte din sarcinile negative trece de la un corp la altul.

Definirea taxei.

Trebuie subliniat faptul că sarcina este o proprietate inerentă a particulei. Este posibil să ne imaginăm o particulă fără sarcină, dar este imposibil să ne imaginăm o sarcină fără o particulă.

Particulele încărcate se manifestă prin atracție (sarcină opuse) sau în repulsie (sarcină cu același nume) cu forțe care sunt cu multe ordine de mărime mai mari decât cele gravitaționale. Astfel, forța de atracție electrică a unui electron către nucleul unui atom de hidrogen este de 10 39 de ori mai mare decât forța de atracție gravitațională a acestor particule. Interacțiunea dintre particulele încărcate se numește interacțiune electromagnetică, iar sarcina electrică determină intensitatea interacțiunilor electromagnetice.

În fizica modernă, sarcina este definită după cum urmează:

Incarcare electrica- aceasta este cantitate fizica, care este sursa câmpului electric, prin care se realizează interacțiunea particulelor cu o sarcină.

Incarcare electrica- o mărime fizică care caracterizează capacitatea corpurilor de a intra în interacțiuni electromagnetice. Măsurată în Coulomb.

sarcina electrica elementara- sarcina minima pe care o au particulele elementare (sarcina unui proton si a unui electron).

Corpul are o sarcină, înseamnă că are electroni suplimentari sau lipsă. Această taxă este indicată q=ne. (este egal cu numărul de sarcini elementare).

electriza corpul- să creeze un exces și o lipsă de electroni. Modalitati: electrificare prin frecareși electrificare prin contact.

cu precizie zorii e - sarcina corpului, care poate fi luată ca punct material.

acuzație de probă() - un punct, sarcină mică, neapărat pozitivă - este folosit pentru a studia câmpul electric.

Legea conservării sarcinii:într-un sistem izolat, suma algebrică a sarcinilor tuturor corpurilor rămâne constantă pentru orice interacțiuni ale acestor corpuri între ele..

Legea lui Coulomb:forțele de interacțiune a două sarcini punctiforme sunt proporționale cu produsul acestor sarcini, invers proporționale cu pătratul distanței dintre ele, depind de proprietățile mediului și sunt direcționate de-a lungul dreptei care leagă centrele lor..

, Unde

F/m, C2/nm2 - dielectric. rapid. vid

- relateaza. constanta dielectrica (>1)

- permeabilitatea dielectrică absolută. medii

Câmp electric- mediul material prin care are loc interacţiunea sarcinilor electrice.

Proprietățile câmpului electric:

Caracteristicile câmpului electric:

tensiune(E) este o mărime vectorială egală cu forța care acționează asupra unei sarcini unitare de testare plasată într-un punct dat.

Măsurat în N/C.

Direcţie este aceeași ca și pentru forța activă.

tensiunea nu depinde nici pe putere, nici pe amploarea acuzației de judecată.

Suprapunerea câmpurilor electrice: puterea câmpului creat de mai multe sarcini este egală cu suma vectorială a intensităților câmpului fiecărei sarcini:

Grafic Câmpul electronic este reprezentat folosind linii de tensiune.

linie de tensiune- o dreaptă, tangenta la care în fiecare punct coincide cu direcția vectorului de tensiune.

Proprietățile liniei de stres: nu se intersectează, prin fiecare punct se poate trasa o singură linie; nu sunt închise, lasă o sarcină pozitivă și intră în una negativă sau se risipesc la infinit.

Tipuri de câmpuri:

Câmp electric uniform- un câmp, al cărui vector de intensitate în fiecare punct este același ca valoare absolută și direcție.

Câmp electric neuniform- un câmp, al cărui vector de intensitate în fiecare punct nu este același ca valoare și direcție absolută.

Câmp electric constant– vectorul tensiune nu se modifică.

Câmp electric neconstant- vectorul tensiune se modifică.

Lucrul câmpului electric pentru a muta sarcina.

, unde F este forța, S este deplasarea, - unghiul dintre F și S.

Pentru un câmp uniform: forța este constantă.

Lucrarea nu depinde de forma traiectoriei; munca depusă pentru a se deplasa pe o cale închisă este zero.

Pentru un câmp neomogen:

Potențialul câmpului electric- raportul dintre munca pe care o face câmpul, deplasând sarcina electrică de probă la infinit, la mărimea acestei sarcini.

-potenţial este caracteristica energetică a câmpului. Măsurată în Volți

Diferenta potentiala:

, apoi

, mijloace

-gradient de potențial.

Pentru un câmp omogen: diferența de potențial - Voltaj:

. Se măsoară în Volți, dispozitive - voltmetre.

Capacitate electrică- capacitatea corpurilor de a acumula o sarcină electrică; raportul dintre sarcină și potențial, care este întotdeauna constant pentru un conductor dat.

.

Nu depinde de sarcină și nu depinde de potențial. Dar depinde de dimensiunea și forma conductorului; asupra proprietăților dielectrice ale mediului.

, unde r este dimensiunea,

- permeabilitatea mediului în jurul corpului.

Capacitatea electrică crește dacă există corpuri în apropiere - conductori sau dielectrici.

Condensator- un dispozitiv pentru acumularea unei încărcări. Capacitate electrica:

Condensator plat- doua placi metalice cu un dielectric intre ele. Capacitatea unui condensator plat:

, unde S este aria plăcilor, d este distanța dintre plăci.

Energia unui condensator încărcat este egală cu munca efectuată de câmpul electric în transferul sarcinii de la o placă la alta.

Transfer mic de taxe

, tensiunea se va schimba la

, se va lucra

. pentru că

și C \u003d const,

. Apoi

. Integram:

Energia câmpului electric:

, unde V=Sl este volumul ocupat de câmpul electric

Pentru un domeniu neomogen:

.

Densitatea câmpului electric volumetric:

. Măsurat în J/m 3.

dipol electric- un sistem format din două sarcini electrice punctiforme egale, dar opuse ca semn, situate la o oarecare distanță una de alta (brațul dipolului -l).

Caracteristica principală a unui dipol este moment dipol este un vector egal cu produsul dintre sarcina si bratul dipolului, indreptat de la o sarcina negativa la una pozitiva. Notat

. Măsurată în metri coulomb.

Dipol într-un câmp electric uniform.

Forțele care acționează asupra fiecărei sarcini ale dipolului sunt:

și

. Aceste forțe sunt direcționate opus și creează un moment al unei perechi de forțe - cuplu:, unde

M - cuplul F - forțele care acționează asupra dipolului

d– braț braț l– braț al dipolului

p– moment dipol E– intensitate

- unghiul dintre p Eq - sarcina

Sub acțiunea unui cuplu, dipolul se va întoarce și se va stabili în direcția liniilor de tensiune. Vectorii pi și E vor fi paraleli și unidirecționali.

Dipol într-un câmp electric neomogen.

Există un cuplu, așa că dipolul se va întoarce. Dar forțele vor fi inegale, iar dipolul se va deplasa acolo unde forța este mai mare.

-gradient de rezistență. Cu cât este mai mare gradientul de tensiune, cu atât este mai mare forța laterală care scoate dipolul. Dipolul este orientat de-a lungul liniilor de forță.

Câmpul propriu al lui Dipol.

Dar. Apoi:

.

Fie dipolul în punctul O și brațul său mic. Apoi:

.

Formula a fost obținută ținând cont de:

Astfel, diferența de potențial depinde de sinusul semiunghiului la care sunt vizibile punctele dipol și de proiecția momentului dipol pe linia dreaptă care leagă aceste puncte.

Dielectricii într-un câmp electric.

Dielectric- o substanță care nu are încărcături libere și, prin urmare, nu conduce curentul electric. Cu toate acestea, de fapt, conductivitate există, dar este neglijabilă.

Clase dielectrice:

cu molecule polare (apă, nitrobenzen): moleculele nu sunt simetrice, centrele de masă ale sarcinilor pozitive și negative nu coincid, ceea ce înseamnă că au moment dipolar chiar și în cazul în care nu există câmp electric.

cu molecule nepolare (hidrogen, oxigen): moleculele sunt simetrice, centrele de masă ale sarcinilor pozitive și negative coincid, ceea ce înseamnă că nu au moment dipol în absența unui câmp electric.

cristalin (clorură de sodiu): o combinație de două subrețele, dintre care una este încărcată pozitiv, iar cealaltă este încărcată negativ; în absența unui câmp electric, momentul dipolar total este zero.

Polarizare- procesul de separare spațială a sarcinilor, apariția sarcinilor legate pe suprafața dielectricului, ceea ce duce la o slăbire a câmpului din interiorul dielectricului.

Modalități de polarizare:

1 cale - polarizare electrochimică:

Pe electrozi - mișcarea cationilor și anionilor spre ei, neutralizarea substanțelor; se formează zone de sarcini pozitive și negative. Curentul scade treptat. Viteza de stabilire a mecanismului de neutralizare se caracterizează prin timpul de relaxare - acesta este timpul în care EMF de polarizare va crește de la 0 la maxim din momentul aplicării câmpului. = 10 -3 -10 -2 s.

Metoda 2 - polarizarea orientativă:

Pe suprafața dielectricului se formează polari necompensate, adică. apare polarizarea. Tensiunea din interiorul dielectricului este mai mică decât tensiunea externă. Timp de relaxare: = 10 -13 -10 -7 s. Frecventa 10 MHz.

3 căi - polarizare electronică:

Caracteristic moleculelor nepolare care devin dipoli. Timp de relaxare: = 10 -16 -10 -14 s. Frecvență 10 8 MHz.

4 căi - polarizare ionică:

Două rețele (Na și Cl) sunt deplasate unul față de celălalt.

Timp de relaxare:

Metoda 5 - polarizare microstructurală:

Este tipic pentru structurile biologice atunci când straturile încărcate și neîncărcate alternează. Există o redistribuire a ionilor pe pereții semipermeabile sau impermeabile la ioni.

Timp de relaxare: \u003d 10 -8 -10 -3 s. Frecvență 1 kHz

Caracteristicile numerice ale gradului de polarizare:

Electricitate este deplasarea ordonată a taxelor gratuite în materie sau în vid.

Condiții pentru existența unui curent electric:

prezența taxelor gratuite

prezența unui câmp electric, adică forţelor care acţionează asupra acestor acuzaţii

Puterea curentului- o valoare egală cu sarcina care trece prin orice secțiune transversală a conductorului pe unitate de timp (1 secundă)

Măsurată în amperi.

n este concentrația sarcinilor

q este valoarea taxei

S - aria secțiunii transversale a conductorului

- viteza de mișcare direcționată a particulelor.

Viteza de mișcare a particulelor încărcate într-un câmp electric este mică - 7 * 10 -5 m / s, viteza de propagare a câmpului electric este de 3 * 10 8 m / s.

densitatea curentă- cantitatea de sarcină care trece în 1 secundă printr-o secțiune de 1 m2.

. Măsurat în A/m2.

- forta care actioneaza asupra ionului din partea campului electric este egala cu forta de frecare

- mobilitate ionică

- viteza de mișcare direcționată a ionilor = mobilitate, puterea câmpului

Conductivitatea specifică a electrolitului este cu atât mai mare, cu atât concentrația ionilor, sarcina și mobilitatea acestora sunt mai mari. Pe măsură ce temperatura crește, mobilitatea ionilor crește și conductivitatea electrică crește.

Pe baza observațiilor privind interacțiunea corpurilor încărcate electric, fizicianul american Benjamin Franklin a numit unele corpuri încărcate pozitiv, în timp ce altele negative. În consecință, și sarcini electrice numit pozitivși negativ.

Corpurile cu sarcini similare se resping reciproc. Corpurile cu sarcini opuse se atrag.

Aceste nume de sarcini sunt destul de arbitrare, iar singurul lor sens este că corpurile care au sarcini electrice pot fie să atragă, fie să respingă.

Semnul sarcinii electrice a corpului este determinat de interacțiunea cu standardul condiționat al semnului sarcinii.

Ca unul dintre aceste standarde, a fost luată încărcătura unui băț de ebonită purtat cu blană. Se crede că un baston de ebonită după ce a fost frecat cu blană are întotdeauna o sarcină negativă.

Dacă este necesar să se determine ce semn al încărcăturii unui corp dat, acesta este adus la o tijă de ebonită, purtată cu blană, fixată într-o suspensie ușoară și se observă interacțiunea. Dacă bățul este respins, atunci corpul are o sarcină negativă.

După descoperirea și studiul particulelor elementare, s-a dovedit că sarcina negativa are întotdeauna o parte elementară - ca - electron.

Electron (din greacă - chihlimbar) - o particulă elementară stabilă cu o sarcină electrică negativăe = 1,6021892(46) . 10 -19 C, masa de repauseu =9,1095. 10 -19 kg. Descoperit în 1897 de fizicianul englez J. J. Thomson.

Ca un standard sarcină pozitivă se ia o încărcătură de baghetă de sticlă purtată cu mătase naturală. Dacă bastonul se respinge dintr-un corp electrificat, atunci acest corp are o sarcină pozitivă.

sarcină pozitivăîntotdeauna are proton, care face parte din nucleul atomic. material de pe site

Folosind regulile de mai sus pentru a determina semnul sarcinii unui corp, trebuie să ne amintim că acesta depinde de substanța corpurilor care interacționează. Deci, un bețișor de ebonită poate avea o sarcină pozitivă dacă este frecat cu o cârpă din materiale sintetice. O tijă de sticlă va avea o sarcină negativă dacă este frecată cu blană. Prin urmare, atunci când intenționați să obțineți o sarcină negativă pe un băț de ebonită, ar trebui să folosiți cu siguranță blană sau cârpă de lână atunci când frecați. Același lucru este valabil și pentru electrificarea unei baghete de sticlă, care este frecată cu o cârpă din mătase naturală pentru a obține o sarcină pozitivă. Doar electronul și protonul au întotdeauna și în mod unic sarcini negative și, respectiv, pozitive.

Această pagină conține materiale pe subiecte.

« Fizica - clasa a 10-a "

Să luăm mai întâi în considerare cel mai simplu caz, când corpurile încărcate electric sunt în repaus.

Se numește secțiunea de electrodinamică dedicată studiului condițiilor de echilibru pentru corpurile încărcate electric electrostatică.

Ce este o sarcină electrică?
Care sunt taxele?

Cu cuvinte electricitate, sarcină electrică, curent electric te-ai întâlnit de multe ori și ai reușit să te obișnuiești cu ele. Dar încercați să răspundeți la întrebarea: „Ce este o sarcină electrică?” Conceptul în sine încărca- acesta este conceptul principal, primar, care la nivelul actual de dezvoltare a cunoștințelor noastre nu poate fi redus la niciun concept mai simplu, elementar.

Să încercăm mai întâi să aflăm ce se înțelege prin afirmația: „Un corp sau o particulă dat are o sarcină electrică”.

Toate corpurile sunt construite din cele mai mici particule, care sunt indivizibile în altele mai simple și, prin urmare, sunt numite elementar.

Particulele elementare au masă și datorită acesteia sunt atrase unele de altele conform legii gravitației universale. Pe măsură ce distanța dintre particule crește, forța gravitațională scade invers proporțional cu pătratul acestei distanțe. Majoritatea particulelor elementare, deși nu toate, au și capacitatea de a interacționa între ele cu o forță care scade, de asemenea, invers cu pătratul distanței, dar această forță este de multe ori mai mare decât forța gravitației.

Deci în atomul de hidrogen, prezentat schematic în figura 14.1, electronul este atras de nucleu (proton) cu o forță de 10 39 de ori mai mare decât forța de atracție gravitațională.

Dacă particulele interacționează între ele cu forțe care scad odată cu creșterea distanței în același mod ca forțele gravitației universale, dar depășesc forțele gravitației de multe ori, atunci se spune că aceste particule au o sarcină electrică. Particulele în sine sunt numite taxat.

Există particule fără sarcină electrică, dar nu există sarcină electrică fără particule.

Interacțiunea particulelor încărcate se numește electromagnetic.

Sarcina electrică determină intensitatea interacțiunilor electromagnetice, la fel cum masa determină intensitatea interacțiunilor gravitaționale.

Sarcina electrică a unei particule elementare nu este un mecanism special dintr-o particulă care ar putea fi îndepărtată din ea, descompusă în părțile sale componente și reasamblată. Prezența unei sarcini electrice într-un electron și alte particule înseamnă doar existența unor anumite interacțiuni de forțăîntre ele.

Noi, în esență, nu știm nimic despre sarcină, dacă nu cunoaștem legile acestor interacțiuni. Cunoașterea legilor interacțiunilor ar trebui inclusă în înțelegerea noastră a taxei. Aceste legi nu sunt simple și este imposibil să le enunțăm în câteva cuvinte. Prin urmare, este imposibil să se ofere o definiție concisă suficient de satisfăcătoare a conceptului incarcare electrica.

Două semne de încărcare electrică.

Toate corpurile au masă și, prin urmare, se atrag reciproc. Corpurile încărcate se pot atrage și respinge reciproc. Acest fapt cel mai important, care vă este familiar, înseamnă că în natură există particule cu sarcini electrice de semne opuse; În cazul sarcinilor de același semn, particulele se resping, iar în cazul unor semne diferite, se atrag.

Sarcina particulelor elementare - protoni, care fac parte din toate nucleele atomice, se numește pozitive, iar sarcina electroni- negativ. Nu există diferențe interne între sarcinile pozitive și negative. Dacă semnele sarcinilor particulelor ar fi inversate, atunci natura interacțiunilor electromagnetice nu s-ar schimba deloc.

sarcină elementară.

Pe lângă electroni și protoni, există mai multe tipuri de particule elementare încărcate. Dar numai electronii și protonii pot exista la infinit în stare liberă. Restul particulelor încărcate trăiesc mai puțin de milioane de secundă. Ele se nasc în timpul ciocnirilor de particule elementare rapide și, având o perioadă de timp neglijabilă, se degradează, transformându-se în alte particule. Vă veți familiariza cu aceste particule în clasa a XI-a.

Particulele care nu au o sarcină electrică includ neutroni. Masa sa depășește doar puțin masa unui proton. Neutronii, împreună cu protonii, fac parte din nucleul atomic. Dacă o particulă elementară are o sarcină, atunci valoarea acesteia este strict definită.

corpuri încărcate Forțele electromagnetice în natură joacă un rol imens datorită faptului că compoziția tuturor corpurilor include particule încărcate electric. Părțile constitutive ale atomilor - nucleele și electronii - au sarcină electrică.

Acțiunea directă a forțelor electromagnetice între corpuri nu este detectată, deoarece corpurile în stare normală sunt neutre din punct de vedere electric.

Un atom al oricărei substanțe este neutru, deoarece numărul de electroni din el este egal cu numărul de protoni din nucleu. Particulele încărcate pozitiv și negativ sunt conectate între ele prin forțe electrice și formează sisteme neutre.

Un corp macroscopic este încărcat electric dacă conține un număr în exces de particule elementare cu orice semn de sarcină. Deci, sarcina negativă a corpului se datorează unui exces al numărului de electroni în comparație cu numărul de protoni, iar sarcina pozitivă se datorează lipsei de electroni.

Pentru a obține un corp macroscopic încărcat electric, adică pentru a-l electriza, este necesar să se separe o parte din sarcina negativă de sarcina pozitivă asociată cu aceasta sau să se transfere o sarcină negativă într-un corp neutru.

Acest lucru se poate face cu frecare. Dacă treceți un pieptene peste părul uscat, atunci o mică parte din particulele cele mai mobile încărcate - electronii vor trece din păr în pieptene și îl vor încărca negativ, iar părul va fi încărcat pozitiv.

Egalitatea tarifelor în timpul electrificării

Cu ajutorul experienței, se poate dovedi că atunci când sunt electrizate prin frecare, ambele corpuri dobândesc sarcini cu semn opus, dar identice ca mărime.

Să luăm un electrometru, pe tija căruia este fixată o sferă metalică cu orificiu și două plăci pe mânere lungi: una din ebonită, iar cealaltă din plexiglas. Când se frecă unele de altele, plăcile devin electrificate.

Să aducem una dintre plăci în interiorul sferei fără a-i atinge pereții. Dacă placa este încărcată pozitiv, atunci unii dintre electronii de la ac și tija electrometrului vor fi atrași de placă și se vor colecta pe suprafața interioară a sferei. În acest caz, săgeata va fi încărcată pozitiv și respinsă de tija electrometrului (Fig. 14.2, a).

Dacă în interiorul sferei se introduce o altă placă, după ce a fost îndepărtată în prealabil pe prima, atunci electronii sferei și tija vor fi respinși din placă și se vor acumula în exces pe săgeată. Acest lucru va face ca săgeata să se abate de la tijă, în plus, cu același unghi ca în primul experiment.

După ce am coborât ambele plăci în interiorul sferei, nu vom găsi deloc nicio deviere a săgeții (Fig. 14.2, b). Acest lucru demonstrează că sarcinile plăcilor sunt egale ca mărime și semne opuse.

Electrificarea corpurilor și manifestările ei. Electrificarea semnificativă are loc în timpul frecării țesăturilor sintetice. Când scoateți o cămașă din material sintetic în aer uscat, puteți auzi un trosnet caracteristic. Scântei mici sar între zonele încărcate ale suprafețelor de frecare.

În tipografii, hârtia se electrifică în timpul tipăririi, iar foile se lipesc între ele. Pentru a preveni acest lucru, sunt folosite dispozitive speciale pentru a descărca încărcarea. Cu toate acestea, electrificarea corpurilor aflate în contact strâns este uneori folosită, de exemplu, în diverse mașini de electrocopiat etc.

Legea conservării sarcinii electrice.

Experiența cu electrificarea plăcilor demonstrează că atunci când sunt electrizate prin frecare, sarcinile existente sunt redistribuite între corpuri care anterior erau neutre. O mică parte din electroni trece de la un corp la altul. În acest caz, particulele noi nu apar, iar cele existente anterior nu dispar.

Când electrifică corpurile, legea conservării sarcinii electrice. Această lege este valabilă pentru un sistem care nu intră din exterior și din care particulele încărcate nu ies, adică pt. sistem izolat.

Într-un sistem izolat, suma algebrică a sarcinilor tuturor corpurilor este conservată.

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

unde q 1, q 2 etc. sunt sarcinile corpurilor individuale încărcate.

Legea conservării sarcinii are un sens profund. Dacă numărul de particule elementare încărcate nu se modifică, atunci legea conservării sarcinii este evidentă. Dar particulele elementare se pot transforma unele în altele, se pot naște și dispar, dând viață unor noi particule.

Cu toate acestea, în toate cazurile, particulele încărcate sunt produse numai în perechi cu sarcini de același modul și opus în semn; particulele încărcate, de asemenea, dispar doar în perechi, transformându-se în neutre. Și în toate aceste cazuri, suma algebrică a sarcinilor rămâne aceeași.

Valabilitatea legii conservării sarcinii este confirmată de observațiile unui număr mare de transformări ale particulelor elementare. Această lege exprimă una dintre cele mai fundamentale proprietăți ale sarcinii electrice. Motivul conservării taxei este încă necunoscut.