Definisi 1

Banyak di antara mereka yang ada di sekitar kita fenomena fisik yang terjadi di alam tidak dijelaskan dalam hukum mekanika, termodinamika dan teori kinetik molekuler. Fenomena semacam itu didasarkan pada pengaruh gaya-gaya yang bekerja antara benda-benda pada jarak tertentu dan tidak bergantung pada massa benda-benda yang berinteraksi, yang segera menyangkal kemungkinan sifat gravitasinya. Kekuatan-kekuatan ini disebut elektromagnetik.

Bahkan orang Yunani kuno pun mempunyai pemahaman tentang gaya elektromagnetik. Namun, baru pada akhir abad ke-18 studi sistematis dan kuantitatif terhadap fenomena fisik yang terkait dengan interaksi elektromagnetik benda dimulai.

Definisi 2

Berkat kerja keras jumlah besar para ilmuwan pada abad ke-19 menyelesaikan penciptaan ilmu harmonis yang benar-benar baru yang terlibat dalam studi tentang magnet dan fenomena kelistrikan. Jadi salah satu cabang fisika terpenting mendapat namanya elektrodinamika.

Medan listrik dan magnet yang diciptakan oleh muatan dan arus listrik menjadi objek studi utamanya.

Konsep muatan dalam elektrodinamika memainkan peran yang sama seperti massa gravitasi dalam mekanika Newton. Itu termasuk dalam dasar bagian dan merupakan yang utama untuk itu.

Definisi 3

Muatan listrik adalah besaran fisis yang mencirikan sifat partikel atau benda untuk melakukan interaksi gaya elektromagnetik.

Huruf q atau Q dalam elektrodinamika biasanya menunjukkan muatan listrik.

Secara keseluruhan, semua fakta yang terbukti secara eksperimental memberi kita kesempatan untuk menarik kesimpulan berikut:

Definisi 4

Ada dua jenis muatan listrik. Ini secara konvensional disebut muatan positif dan negatif.

Definisi 5

Muatan dapat berpindah (misalnya melalui kontak langsung) antar badan. Muatan listrik, tidak seperti massa suatu benda, bukanlah karakteristik integralnya. Satu tubuh tertentu dapat mengambil kondisi yang berbeda arti yang berbeda mengenakan biaya.

Definisi 6

Muatan sejenis tolak menolak, muatan tak sejenis tarik menarik. DI DALAM fakta ini Perbedaan mendasar lainnya antara gaya elektromagnetik dan gravitasi muncul. Gaya gravitasi selalu mewakili kekuatan yang menarik.

Hukum kekekalan muatan listrik merupakan salah satu hukum dasar alam.

Dalam sistem terisolasi, jumlah aljabar muatan semua benda adalah konstan:

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

Definisi 7

Hukum kekekalan muatan listrik menyatakan bahwa dalam sistem benda tertutup, proses penciptaan atau hilangnya muatan yang hanya bertanda satu tidak dapat diamati.

Dari sudut pandang ilmu pengetahuan modern, pembawa muatan adalah partikel elementer. Benda biasa apa pun terbuat dari atom. Mereka terdiri dari proton yang membawa muatan positif, elektron bermuatan negatif dan partikel netral - neutron. Proton dan neutron adalah bagian yang tidak terpisahkan inti atom, elektron terbentuk kulit elektron atom. Dalam modulus, muatan listrik proton dan elektron setara dan sama dengan nilai muatan dasar e.

Pada atom netral, jumlah elektron pada kulit dan jumlah proton pada inti adalah sama. Jumlah setiap partikel disebut nomor atom.

Atom semacam itu memiliki kemampuan untuk kehilangan dan memperoleh satu atau lebih elektron. Ketika ini terjadi, atom netral menjadi ion bermuatan positif atau negatif.

Muatan dapat berpindah dari satu benda ke benda lain hanya dalam bagian yang mengandung sejumlah muatan dasar bilangan bulat. Ternyata muatan listrik suatu benda merupakan besaran diskrit:

q = ± n e (n = 0, 1, 2,...).

Definisi 8

Besaran fisis yang dapat mengambil serangkaian nilai yang sangat diskrit disebut terkuantisasi.

Definisi 9

Biaya dasar e mewakili kuantum, yaitu bagian terkecil dari muatan listrik.

Definisi 10

Apa yang agak menonjol dari semua hal di atas adalah fakta keberadaannya fisika modern partikel elementer yang disebut quark– partikel dengan muatan pecahan ± 1 3 e dan ± 2 3 e.

Namun, para ilmuwan belum pernah mampu mengamati quark dalam keadaan bebas.

Definisi 11

Untuk mendeteksi dan mengukur muatan listrik dalam kondisi laboratorium, biasanya digunakan elektrometer - alat yang terdiri dari batang logam dan penunjuk yang dapat berputar pada sumbu horizontal (Gbr. 1. 1. 1).

Batang panah diisolasi dari badan logam. Jika bersentuhan dengan batang elektrometer, benda bermuatan memicu distribusi muatan listrik dengan tanda yang sama di sepanjang batang dan panah. Pengaruh gaya tolak-menolak listrik menyebabkan jarum menyimpang pada sudut tertentu, sehingga muatan yang ditransfer ke batang elektrometer dapat ditentukan.

Gambar 1. 1 . 1 . Perpindahan muatan dari benda bermuatan ke elektrometer.

Elektrometer adalah instrumen yang agak kasar. Sensitivitasnya tidak memungkinkan seseorang untuk mempelajari kekuatan interaksi antar muatan. Pada tahun 1785, hukum interaksi muatan stasioner pertama kali ditemukan. Penemunya adalah fisikawan Perancis C. Coulomb. Dalam eksperimennya, ia mengukur gaya tarik-menarik dan tolak-menolak bola bermuatan menggunakan alat yang ia rancang untuk mengukur muatan listrik - keseimbangan torsi (Gbr. 1, 1, 2), yang memiliki sensitivitas sangat tinggi. Balok keseimbangan diputar 1° dengan gaya kira-kira 10 – 9 N.

Gagasan pengukuran ini didasarkan pada dugaan fisikawan bahwa ketika bola bermuatan bersentuhan dengan bola yang sama-sama tidak bermuatan, muatan bola pertama yang ada akan terbagi menjadi bagian yang sama di antara benda-benda tersebut. Dengan demikian, diperoleh suatu cara untuk mengubah muatan bola sebanyak dua kali atau lebih.

Definisi 12

Dalam eksperimennya, Coulomb mengukur interaksi antar bola, yang ukurannya jauh lebih kecil daripada jarak yang memisahkannya, sehingga dapat diabaikan. Benda bermuatan seperti itu biasanya disebut biaya poin.

Gambar 1. 1 . 2. Perangkat Coulomb.

Gambar 1. 1 . 3. Gaya interaksi antara muatan sejenis dan muatan sejenis.

Berdasarkan banyak eksperimen, Coulomb menetapkan hukum berikut:

Definisi 13

Gaya interaksi antara muatan-muatan diam berbanding lurus dengan hasil kali modulus muatan dan berbanding terbalik dengan kuadrat jarak antara keduanya: F = k q 1 · q 2 r 2 .

Gaya interaksi merupakan gaya tolak menolak dengan tanda muatan yang sama dan gaya tarik menarik dengan tanda berbeda (Gbr. 1, 1, 3), dan juga mematuhi hukum ketiga Newton:
F 1 → = - F 2 → .

Definisi 14

Interaksi Coulomb atau elektrostatik adalah pengaruh muatan listrik stasioner satu sama lain.

Definisi 15

Cabang elektrodinamika yang mempelajari interaksi Coulomb disebut elektrostatika.

Hukum Coulomb dapat diterapkan pada benda bermuatan titik. Dalam praktiknya, cukup memuaskan jika dimensi benda bermuatan dapat diabaikan karena jarak antar objek interaksi jauh melebihi jaraknya.

Koefisien proporsionalitas k dalam hukum Coulomb bergantung pada pilihan sistem satuan.

Dalam Sistem Simbol Internasional, satuan besaran muatan listrik adalah coulomb (K l).

Definisi 16

Liontin adalah muatan yang melewati persilangan penghantar dengan kuat arus 1 A. Satuan arus (ampere) dalam CI, bersama dengan satuan panjang, waktu dan massa, merupakan satuan dasar pengukuran.

Koefisien k dalam sistem CI biasanya ditulis sebagai ekspresi berikut:

k = 1 4 π ε 0 .

Dimana ε 0 = 8,85 · 10 - 12 K l 2 N · m 2 adalah konstanta listrik.

Dalam sistem CI, muatan dasar e sama dengan:

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

Berdasarkan pengalaman, kita dapat mengatakan bahwa gaya interaksi Coulomb mengikuti prinsip superposisi.

Teorema 1

Jika suatu benda bermuatan berinteraksi secara bersamaan dengan beberapa benda bermuatan, maka gaya yang dihasilkan yang bekerja pada benda tersebut adalah sama jumlah vektor gaya yang bekerja pada benda ini dari semua benda bermuatan lainnya.

Pada Gambar 1. 1 . 4, dengan menggunakan contoh interaksi elektrostatik tiga benda bermuatan, prinsip superposisi dijelaskan.

Gambar 1. 1 . 4. Prinsip superposisi gaya elektrostatis F → = F 21 → + F 31 → ; F 2 → = F 12 → + F 32 → ; F 3 → = F 13 → + F 23 → .

Gambar 1. 1 . 5. Model interaksi muatan titik.

Meskipun prinsip superposisi adalah hukum alam yang mendasar, penggunaannya memerlukan kehati-hatian ketika diterapkan pada interaksi benda bermuatan berdimensi terbatas. Contohnya adalah dua bola bermuatan 1 dan 2 yang melakukan konduktor. Jika bola bermuatan lain dibawa ke sistem serupa yang terdiri dari dua bola bermuatan, maka interaksi antara 1 dan 2 akan mengalami perubahan akibat adanya redistribusi muatan.

Prinsip superposisi mengasumsikan bahwa gaya interaksi elektrostatis antara dua benda tidak bergantung pada keberadaan benda bermuatan lainnya, asalkan distribusi muatannya tetap (diberikan).

Jika Anda melihat kesalahan pada teks, silakan sorot dan tekan Ctrl+Enter

Kita harus benar-benar mengupas pakaian yang baru dicuci dari pengering satu sama lain, atau ketika kita tidak bisa mendapatkan aliran listrik dan benar-benar berdiri tegak. Siapa yang belum mencoba menggantung balon ke langit-langit setelah menggosokkannya ke kepala? Ketertarikan dan penolakan ini merupakan sebuah manifestasi listrik statis. Tindakan seperti ini disebut elektrifikasi.

Listrik statis dijelaskan oleh keberadaannya di alam muatan listrik. Muatan adalah sifat integral dari partikel elementer. Muatan yang timbul pada kaca bila digosokkan pada sutra disebut konvensional positif, dan muatan yang timbul pada ebonit ketika digosok dengan wol adalah negatif.

Mari kita pertimbangkan sebuah atom. Sebuah atom terdiri dari inti dan elektron yang terbang mengelilinginya (partikel biru pada gambar). Inti atom terdiri dari proton (merah) dan neutron (hitam).

.

Pembawa muatan negatif adalah elektron, muatan positif adalah proton. Neutron adalah partikel netral dan tidak bermuatan.

Besarnya muatan dasar - elektron atau proton, memiliki nilai konstan dan sama dengan

Seluruh atom bermuatan netral jika jumlah proton sesuai dengan jumlah elektron. Apa yang terjadi jika salah satu elektron putus dan terbang menjauh? Atom akan memiliki satu proton lebih banyak, artinya akan ada lebih banyak partikel positif daripada partikel negatif. Atom yang demikian disebut ion positif. Dan jika satu elektron tambahan bergabung, kita peroleh ion negatif. Elektron, setelah lepas, mungkin tidak bergabung kembali, tetapi bergerak bebas selama beberapa waktu, menciptakan muatan negatif. Jadi, pembawa muatan bebas dalam suatu zat adalah elektron, ion positif, dan ion negatif.

Agar terdapat proton bebas, inti harus dihancurkan, dan ini berarti kehancuran seluruh atom. Kami tidak akan mempertimbangkan metode memperoleh muatan listrik seperti itu.

Suatu benda menjadi bermuatan jika mengandung kelebihan satu atau beberapa partikel bermuatan (elektron, ion positif atau negatif).

Jumlah muatan pada suatu benda adalah kelipatan muatan dasar. Misalnya, jika suatu benda mempunyai 25 elektron bebas dan atom sisanya netral, maka benda tersebut bermuatan negatif dan muatannya adalah . Muatan dasar tidak habis dibagi - sifat ini disebut kebijaksanaan

Muatan sejenis (dua positif atau dua negatif) memukul mundur, berlawanan (positif dan negatif) - tertarik

Biaya poin- merupakan titik material yang bermuatan listrik.

Hukum kekekalan muatan listrik

Sistem benda tertutup dalam kelistrikan adalah sistem benda yang tidak terjadi pertukaran muatan listrik antar benda luar.

Jumlah aljabar muatan listrik suatu benda atau partikel tetap konstan selama proses apa pun yang terjadi dalam sistem tertutup secara elektrik.

Gambar tersebut menunjukkan contoh hukum kekekalan muatan listrik. Pada gambar pertama terdapat dua buah benda yang muatannya berlawanan. Gambar kedua menunjukkan tubuh yang sama setelah kontak. Pada gambar ketiga, benda netral ketiga dimasukkan ke dalam sistem tertutup secara elektrik dan benda-benda tersebut berinteraksi satu sama lain.

Dalam setiap situasi, jumlah aljabar muatan (dengan mempertimbangkan tanda muatan) tetap konstan.

Hal utama yang perlu diingat

1) Muatan listrik dasar - elektron dan proton
2) Jumlah muatan dasar adalah konstan
3) Muatan positif dan negatif serta interaksinya
4) Pembawa muatan bebas adalah elektron, ion positif dan ion negatif
5) Muatan listrik bersifat diskrit
6) Hukum kekekalan muatan listrik

Muatan listrik– besaran fisika yang mencirikan kemampuan suatu benda untuk melakukan interaksi elektromagnetik. Diukur dalam Coulomb.

Muatan listrik dasar– muatan minimum yang dimiliki partikel elementer (muatan proton dan elektron).

e= Kl

Tubuh mempunyai muatan, berarti ia mempunyai elektron berlebih atau hilang. Biaya ini telah ditetapkan Q = tidak. (sama dengan jumlah muatan dasar).

Menyetrum tubuh– menciptakan kelebihan dan kekurangan elektron. Metode: elektrifikasi karena gesekan Dan elektrifikasi melalui kontak.

Titik fajar d adalah muatan benda, yang dapat dianggap sebagai titik material.

Biaya tes () – titik, muatan kecil, selalu positif – digunakan untuk penelitian Medan listrik.

Hukum kekekalan muatan: dalam sistem terisolasi, jumlah aljabar muatan semua benda tetap konstan untuk setiap interaksi benda-benda ini satu sama lain.

hukum Coulomb: gaya interaksi antara dua muatan titik sebanding dengan hasil kali muatan-muatan tersebut, berbanding terbalik dengan kuadrat jarak antara keduanya, bergantung pada sifat-sifat medium dan diarahkan sepanjang garis lurus yang menghubungkan pusat-pusatnya.

, Di mana
F/m, Cl 2 /nm 2 – dielektrik. cepat. kekosongan

- berhubungan. konstanta dielektrik (>1)

- permeabilitas dielektrik absolut. lingkungan

Medan listrik– media material tempat terjadinya interaksi muatan listrik.

Sifat medan listrik:


Ciri-ciri medan listrik:

    Ketegangan (E) – besaran vektor, sama dengan kekuatan, bekerja pada muatan uji satuan yang ditempatkan pada titik tertentu.

Diukur dalam N/C.

Arah– sama dengan gaya akting.

Ketegangan tidak tergantung baik pada kekuatan maupun pada ukuran muatan uji.

Superposisi medan listrik: kuat medan yang ditimbulkan oleh beberapa muatan sama dengan jumlah vektor kuat medan masing-masing muatan:

Secara grafis Medan elektronik direpresentasikan menggunakan garis tegangan.

Garis ketegangan– garis yang garis singgungnya pada setiap titik berimpit dengan arah vektor tegangan.

Sifat-sifat garis tegangan: tidak berpotongan, hanya satu garis yang dapat ditarik melalui setiap titik; mereka tidak tertutup, mereka meninggalkan muatan positif dan masuk ke muatan negatif, atau menghilang hingga tak terhingga.

Jenis bidang:

    Medan listrik seragam– medan yang vektor intensitasnya di setiap titik sama besar dan arahnya.

    Medan listrik tidak seragam– medan yang vektor intensitasnya di setiap titik tidak sama besar dan arahnya.

    Medan listrik konstan– vektor tegangan tidak berubah.

    Medan listrik variabel– vektor tegangan berubah.

    Usaha yang dilakukan oleh medan listrik untuk memindahkan muatan.

, dimana F adalah gaya, S adalah perpindahan, - sudut antara F dan S.

Untuk medan seragam: gayanya konstan.

Pekerjaan tidak bergantung pada bentuk lintasan; usaha yang dilakukan untuk bergerak sepanjang lintasan tertutup adalah nol.

Untuk bidang yang tidak seragam:

    Potensi medan listrik– rasio kerja yang dilakukan medan, menggerakkan muatan listrik uji hingga tak terhingga, dengan besar muatan tersebut.

- potensi– karakteristik energi medan. Diukur dalam Volt

Perbedaan potensial:

Jika
, Itu

, Cara

- gradien potensial.

Untuk medan seragam: beda potensial – tegangan:

. Diukur dalam Volt, perangkatnya adalah voltmeter.

Kapasitas listrik– kemampuan benda untuk mengakumulasi muatan listrik; rasio muatan terhadap potensial, yang selalu konstan untuk suatu konduktor tertentu.

.

Tidak bergantung pada muatan dan tidak bergantung pada potensi. Tapi itu tergantung pada ukuran dan bentuk konduktor; pada sifat dielektrik medium.

, di mana r adalah ukurannya,
- permeabilitas lingkungan sekitar tubuh.

Kapasitas listrik meningkat jika ada benda - konduktor atau dielektrik - berada di dekatnya.

Kapasitor– perangkat untuk mengumpulkan biaya. Kapasitas listrik:

Kapasitor datar– dua pelat logam dengan dielektrik di antaranya. Kapasitas listrik kapasitor datar:

, dimana S adalah luas pelat, d adalah jarak antar pelat.

Energi kapasitor bermuatan sama dengan usaha yang dilakukan medan listrik ketika memindahkan muatan dari satu pelat ke pelat lainnya.

Transfer biaya kecil
, tegangan akan berubah menjadi
, pekerjaan selesai
. Karena
, dan C = konstanta,
. Kemudian
. Mari berintegrasi:

Energi medan listrik:
, dimana V=Sl adalah volume yang ditempati oleh medan listrik

Untuk bidang yang tidak seragam:
.

Kerapatan medan listrik volumetrik:
. Diukur dalam J/m 3.

Dipol listrik– sistem yang terdiri dari dua muatan listrik titik yang sama besar, tetapi berlawanan tanda, yang terletak agak jauh satu sama lain (lengan dipol - l).

Ciri utama dipol adalah momen dipol– vektor yang sama dengan hasil kali muatan dan lengan dipol, diarahkan dari muatan negatif ke muatan positif. Ditunjuk
. Diukur dalam meter Coulomb.

Dipol dalam medan listrik seragam.

Gaya-gaya berikut bekerja pada setiap muatan dipol:
Dan
. Gaya-gaya ini berlawanan arah dan menciptakan momen dari sepasang gaya - torsi: , dimana

M – torsi F – gaya yang bekerja pada dipol

d – lengan gaya l – lengan dipol

p – momen dipol E – ketegangan

- sudut antara p dan E q – muatan

Di bawah pengaruh torsi, dipol akan berputar dan sejajar dengan arah garis tegangan. Vektor p dan E akan sejajar dan searah.

Dipol dalam medan listrik yang tidak seragam.

Ada torsi yang berarti dipol akan berputar. Tetapi gaya-gayanya akan menjadi tidak seimbang, dan dipol akan berpindah ke tempat yang gayanya lebih besar.

- gradien tegangan. Semakin tinggi gradien tegangan, semakin besar pula gaya lateral yang menarik dipol. Dipol berorientasi sepanjang garis gaya.

Bidang intrinsik dipol.

Tetapi . Kemudian:

.

Biarkan dipol berada di titik O dan lengannya kecil. Kemudian:

.

Rumusnya diperoleh dengan mempertimbangkan:

Jadi, beda potensial bergantung pada sinus setengah sudut di mana titik-titik dipol terlihat, dan proyeksi momen dipol pada garis lurus yang menghubungkan titik-titik tersebut.

Dielektrik dalam medan listrik.

Dielektrik- zat yang tidak mempunyai muatan bebas, sehingga tidak dapat menghantarkan arus listrik. Namun, pada kenyataannya, konduktivitas ada, namun dapat diabaikan.

Kelas dielektrik:

    dengan molekul polar (air, nitrobenzena): molekulnya tidak simetris, pusat massa muatan positif dan negatif tidak bertepatan, yang berarti mereka memiliki momen dipol meskipun tidak ada medan listrik.

    Dengan molekul non-polar(hidrogen, oksigen): molekulnya simetris, pusat massa muatan positif dan negatif bertepatan, artinya tidak memiliki momen dipol jika tidak ada medan listrik.

    kristal (natrium klorida): kombinasi dua subkisi, salah satunya bermuatan positif dan yang lainnya bermuatan negatif; jika tidak ada medan listrik, momen dipol total adalah nol.

Polarisasi– proses pemisahan muatan secara spasial, munculnya muatan terikat pada permukaan dielektrik, yang menyebabkan melemahnya medan di dalam dielektrik.

Metode polarisasi:

Metode 1 – polarisasi elektrokimia:

Pada elektroda – pergerakan kation dan anion ke arah mereka, netralisasi zat; terbentuk daerah bermuatan positif dan negatif. Arus secara bertahap berkurang. Laju pembentukan mekanisme netralisasi dicirikan oleh waktu relaksasi - ini adalah waktu di mana ggl polarisasi meningkat dari 0 hingga maksimum sejak medan diterapkan. = 10 -3 -10 -2 detik.

Metode 2 – polarisasi orientasi:

Polar yang tidak terkompensasi terbentuk pada permukaan dielektrik, mis. fenomena polarisasi terjadi. Tegangan di dalam dielektrik lebih kecil dari tegangan luar. Waktu relaksasi: = 10 -13 -10 -7 detik. Frekuensi 10MHz.

Metode 3 – polarisasi elektronik:

Ciri-ciri molekul non polar yang menjadi dipol. Waktu relaksasi: = 10 -16 -10 -14 detik. Frekuensi 10 8 MHz.

Metode 4 – polarisasi ion:

Dua kisi (Na dan Cl) mengalami perpindahan relatif satu sama lain.

Waktu relaksasi:

Metode 5 – polarisasi mikrostruktur:

Karakteristik struktur biologis ketika lapisan bermuatan dan tidak bermuatan bergantian. Ada redistribusi ion pada partisi semi-permeabel atau kedap ion.

Waktu relaksasi: =10 -8 -10 -3 detik. Frekuensi 1KHz

Karakteristik numerik dari derajat polarisasi:


Listrik– ini adalah pergerakan muatan bebas yang teratur dalam materi atau ruang hampa.

Syarat adanya arus listrik:

    kehadiran biaya gratis

    adanya medan listrik, mis. kekuatan yang bertindak atas tuduhan ini

Kekuatan saat ini– nilai yang sama dengan muatan yang melewati setiap penampang konduktor per satuan waktu (1 detik)

Diukur dalam Ampere.

n – konsentrasi muatan

q – jumlah biaya

S – luas penampang konduktor

- kecepatan pergerakan arah partikel.

Kecepatan pergerakan partikel bermuatan dalam medan listrik kecil - 7 * 10 -5 m/s, kecepatan rambat medan listrik adalah 3 * 10 8 m/s.

Kepadatan arus– jumlah muatan yang melewati penampang 1 m2 dalam 1 sekon.

. Diukur dalam A/m2.

- gaya yang bekerja pada ion dari medan listrik sama dengan gaya gesekan

- mobilitas ion

- kecepatan gerak terarah ion = mobilitas, kekuatan medan

Semakin besar konsentrasi ion, muatan dan mobilitasnya, semakin besar konduktivitas spesifik elektrolit. Dengan meningkatnya suhu, mobilitas ion meningkat dan konduktivitas listrik meningkat.

Muatan listrik adalah kuantitas fisik, yang melekat pada beberapa partikel elementer. Ini memanifestasikan dirinya melalui gaya tarik-menarik dan tolak-menolak antara benda-benda bermuatan medan elektromagnetik. Mari kita pertimbangkan properti fisik biaya dan jenis biaya.

Pemahaman umum tentang muatan listrik

Materi, yang muatan listriknya bukan nol, secara aktif berinteraksi dengan medan elektromagnetik dan, pada gilirannya, menciptakan medan ini. Interaksi benda bermuatan dengan medan elektromagnetik adalah salah satu dari empat jenis interaksi gaya yang diketahui manusia. Berbicara tentang muatan dan jenis muatan, perlu diperhatikan bahwa dari sudut pandang model standar, muatan listrik mencerminkan kemampuan suatu benda atau partikel untuk bertukar pembawa medan elektromagnetik - foton - dengan benda bermuatan lain atau elektromagnetik. bidang.

Salah satu karakteristik penting dari berbagai jenis muatan adalah kekekalan jumlah muatan dalam suatu sistem terisolasi. Artinya, muatan total dipertahankan untuk jangka waktu yang tidak terbatas, apapun jenis interaksi yang terjadi dalam sistem.

Muatan listrik tidak kontinyu. Eksperimen Robert Millikan menunjukkan sifat diskrit muatan listrik. Jenis muatan yang ada di alam bisa positif atau negatif.

Muatan positif dan negatif

Pembawa dua jenis muatan adalah proton dan elektron. Karena alasan historis, muatan elektron dianggap negatif, bernilai -1, dan dilambangkan -e. Sebuah proton mempunyai muatan positif +1 dan diberi nama +e.

Jika suatu benda mengandung lebih banyak proton daripada elektron, maka benda tersebut dianggap bermuatan positif. Contoh mencolok dari jenis muatan positif di alam adalah muatan batang kaca setelah digosok dengan kain sutra. Oleh karena itu, jika suatu benda mengandung lebih banyak elektron daripada proton, maka benda tersebut dianggap bermuatan negatif. Muatan listrik jenis ini terlihat pada penggaris plastik ketika digosok dengan wol.

Perhatikan bahwa muatan proton dan elektron, meskipun sangat kecil, bukanlah muatan dasar. Quark telah ditemukan - “bahan penyusun” yang membentuk partikel elementer yang memiliki muatan ±1/3 dan ±2/3 relatif terhadap muatan elektron dan proton.

Satuan

Jenis-jenis muatan, baik positif maupun negatif, di sistem internasional Satuan SI diukur dalam coulomb. Muatan sebesar 1 coulomb merupakan muatan yang sangat besar, yang didefinisikan sebagai muatan yang melewati penampang suatu penghantar dalam waktu 1 sekon dengan kuat arus 1 ampere. Satu liontin setara dengan 6,242 * 10 18 elektron bebas. Artinya muatan satu elektron adalah -1/(6.242*10 18) = - 1.602*10 -19 coulomb. Nilai yang sama, hanya dengan tanda plus, merupakan karakteristik dari jenis muatan lain di alam - muatan positif proton.

Sejarah Singkat Muatan Listrik

Sejak zaman Yunani kuno, diketahui bahwa jika kulit digosokkan pada damar, ia memperoleh kemampuan untuk menarik benda ringan, misalnya jerami atau bulu burung. Penemuan ini milik filsuf Yunani Thales dari Miletus, yang hidup 2500 tahun lalu.

Pada tahun 1600, dokter Inggris William Gilbert memperhatikan bahwa banyak bahan yang berperilaku seperti kuning ketika digosok. Kata "amber" dalam bahasa Yunani kuno terdengar seperti "elektron". Gilbert mulai menggunakan istilah ini untuk semua fenomena tersebut. Belakangan muncul istilah lain, seperti “listrik” dan “muatan listrik”. Dalam karyanya, Gilbert juga mampu membedakan fenomena magnet dan listrik.

Penemuan adanya gaya tarik-menarik dan tolak-menolak antara benda-benda bermuatan listrik adalah milik fisikawan Stefan Gray. Ilmuwan pertama yang mengemukakan keberadaan dua jenis muatan listrik adalah ahli kimia dan fisikawan Perancis Charles Francois Dufay. Fenomena muatan listrik juga dipelajari secara detail oleh Benjamin Franklin. Pada akhir abad ke-18, fisikawan Perancis Charles Augustin de Coulomb menemukan hukumnya yang terkenal.

Namun demikian, semua pengamatan ini baru dapat dirumuskan menjadi teori kelistrikan yang koheren pada pertengahan abad ke-19. Di sini perlu diperhatikan pentingnya karya Michael Faraday tentang studi proses elektrolisis dan James Maxwell, yang menjelaskan secara lengkap fenomena elektromagnetik.

Ide-ide modern tentang sifat listrik dan muatan listrik diskrit berasal dari karya Joseph Thomson, yang menemukan elektron, dan Robert Millikan, yang mengukur muatannya.

Momen magnet dan muatan listrik

Benjamin Franklin mengidentifikasi jenis-jenis muatan. Ada dua di antaranya: positif dan negatif. Dua muatan yang bertanda sama akan tolak menolak, dan dua muatan yang berlawanan tanda akan tarik menarik.

Dengan munculnya mekanika kuantum dan fisika partikel, ditunjukkan bahwa selain muatan listrik, partikel memiliki momen magnet yang disebut putaran. Karena sifat listrik dan magnetik partikel elementer, medan elektromagnetik ada di alam.

Prinsip kekekalan muatan listrik

Berdasarkan hasil banyak percobaan, prinsip kekekalan muatan listrik menyatakan bahwa tidak ada cara untuk memusnahkan atau menciptakan muatan dari ketiadaan, dan bahwa dalam setiap proses elektromagnetik dalam sistem terisolasi, muatan listrik total adalah kekal.

Akibat proses elektrifikasi, jumlah proton dan elektron tidak berubah, yang ada hanya pemisahan muatan. Muatan listrik mungkin muncul di beberapa bagian sistem yang sebelumnya tidak ada, namun muatan keseluruhan sistem tetap tidak berubah.

Kepadatan muatan listrik

Kepadatan muatan mengacu pada kuantitasnya per satuan panjang, luas atau volume ruang. Dalam hal ini, mereka berbicara tentang tiga jenis kepadatannya: linier, permukaan dan volumetrik. Karena ada dua jenis muatan, massa jenis juga bisa positif dan negatif.

Terlepas dari kenyataan bahwa muatan listrik terkuantisasi, yaitu diskrit, dalam sejumlah percobaan dan proses, jumlah pembawanya sangat besar sehingga dapat dianggap terdistribusi secara merata ke seluruh tubuh. Perkiraan yang baik ini memungkinkan kita memperoleh sejumlah hukum eksperimental penting untuk fenomena kelistrikan.

Saat mempelajari perilaku dua muatan titik pada keseimbangan torsi, yaitu muatan yang jarak antara keduanya secara signifikan melebihi dimensinya, Charles Coulomb pada tahun 1785 menemukan hukum interaksi antara muatan listrik. Ilmuwan merumuskan hukum ini sebagai berikut:

Besarnya masing-masing gaya yang berinteraksi dengan dua muatan titik yang diam berbanding lurus dengan hasil kali muatan listriknya dan berbanding terbalik dengan kuadrat jarak yang memisahkan keduanya. Gaya interaksi diarahkan sepanjang garis yang menghubungkan benda-benda bermuatan.

Perhatikan bahwa hukum Coulomb tidak bergantung pada jenis muatan: mengubah tanda muatan hanya akan mengubah arah gaya yang bekerja ke arah sebaliknya, dengan tetap mempertahankan modulusnya. Koefisien proporsionalitas dalam hukum Coulomb bergantung pada konstanta dielektrik medium yang memuat muatan.

Jadi, rumus gaya Coulomb ditulis dalam bentuk berikut: F = k*q 1 *q 2 /r 2, dimana q 1, q 2 adalah besar muatan, r adalah jarak antar muatan, k = 9*10 9 N*m 2 /Cl 2 - koefisien proporsionalitas untuk ruang hampa.

Konstanta k melalui konstanta dielektrik universal ε 0 dan konstanta dielektrik bahan ε dinyatakan sebagai berikut: k = 1/(4*pi*ε*ε 0), di sini pi adalah bilangan pi, dan ε > 1 untuk media apa pun.

Hukum Coulomb tidak berlaku dalam kasus berikut:

  • ketika partikel bermuatan mulai bergerak, dan terutama ketika kecepatannya mendekati kecepatan cahaya;
  • ketika jarak antar muatan kecil dibandingkan dengan dimensi geometrinya.

Menarik untuk dicatat bentuk matematika Hukum Coulomb bertepatan dengan hukum gravitasi universal, di mana peran muatan listrik dimainkan oleh massa suatu benda.

Metode perpindahan muatan listrik dan elektrifikasi

Elektrifikasi dipahami sebagai suatu proses di mana benda yang netral secara listrik memperoleh muatan yang tidak nol. Proses ini dikaitkan dengan pergerakan pembawa muatan dasar, paling sering elektron. Anda dapat menyetrum tubuh menggunakan metode berikut:

  • Akibat kontak. Jika suatu benda bermuatan menyentuh benda lain yang terdiri dari bahan konduktif, maka benda tersebut akan memperoleh muatan listrik.
  • Gesekan suatu isolator terhadap bahan lain.
  • Induksi listrik. Inti dari fenomena ini adalah redistribusi muatan listrik di dalam tubuh akibat pengaruh listrik bidang luar.
  • Efek fotolistrik adalah fenomena pelepasan elektron padat karena dampaknya pada dirinya radiasi elektromagnetik.
  • Elektrolisa. Suatu proses fisika dan kimia yang terjadi dalam lelehan dan larutan garam, asam dan basa.
  • Efek termoelektrik. Dalam hal ini, elektrifikasi terjadi karena gradien suhu di dalam tubuh.

Semua benda di dunia sekitar kita terdiri dari dua jenis partikel stabil - proton, bermuatan positif, dan elektron, yang memiliki muatan yang sama dan bertanda negatif. Jumlah elektron sama dengan jumlah proton. Oleh karena itu Alam Semesta bersifat netral secara listrik.

Karena elektron dan proton tidak pernah ( setidaknya selama 14 miliar tahun terakhir) tidak membusuk, maka Alam Semesta tidak dapat melanggar netralitasnya dengan pengaruh manusia apa pun. Semua benda biasanya juga netral secara listrik, yaitu mengandung jumlah elektron dan proton yang sama.

Untuk membuat suatu benda bermuatan, perlu dikeluarkan darinya, dipindahkan ke benda lain, atau ditambahkan ke dalamnya, dengan mengambil dari benda lain, sejumlah N elektron atau proton. Muatan benda akan menjadi sama dengan Ne. Perlu diingat ( apa yang biasanya dilupakan), bahwa muatan yang sama yang bertanda berlawanan (Ne) pasti terbentuk pada benda (atau benda) lain. Dengan menggosok batang ebonit dengan wol, kita tidak hanya mengisi daya ebonit, tetapi juga wol, mentransfer sejumlah elektron dari satu ke yang lain.

Pernyataan tentang gaya tarik menarik dua benda yang muatannya sama dan berlawanan menurut prinsip pembuktian dan pemalsuan adalah bersifat ilmiah, karena pada prinsipnya dapat dibuktikan atau dibantah secara eksperimental. Di sini percobaan dapat dilakukan secara murni, tanpa keterlibatan benda ketiga, hanya dengan memindahkan sebagian elektron atau proton dari satu benda percobaan ke benda percobaan lainnya.

Gambarannya sangat berbeda dengan pernyataan tentang tolak-menolak muatan sejenis. Faktanya adalah itu hanya dua, misalnya positif, muatan q1, q2 untuk melaksanakan percobaan tidak dapat dibuat, karena ketika mencoba membuatnya, hal itu selalu tidak bisa dihindari yang ketiga muncul, muatan negatif q3 = -(qi + q2). Oleh karena itu, tidak ada dua orang yang berpartisipasi dalam percobaan ini, dan tiga tuduhan. Pada prinsipnya tidak mungkin melakukan percobaan dengan dua muatan yang bernama sama.

Oleh karena itu, pernyataan Coulomb tentang tolakan muatan sejenis menurut prinsip tersebut tidak ilmiah.

Untuk alasan yang sama, percobaan dengan dua muatan yang berbeda tanda q1, - q2 tidak mungkin dilakukan jika muatan-muatan ini tidak sama satu sama lain. Di sini, muatan ketiga q3 = q1 - q2 pasti muncul, yang berpartisipasi dalam interaksi dan mempengaruhi gaya yang dihasilkan.

Kehadiran tuduhan ketiga dilupakan dan tidak diperhitungkan oleh para pendukung Coulomb yang buta. Dua benda dengan muatan identik dengan tanda berlawanan dapat dibuat dengan memecah atom menjadi dua bagian bermuatan dan memindahkan bagian-bagian ini dari satu benda ke benda lainnya. Dengan kesenjangan seperti itu, usaha harus dilakukan dan energi harus dikeluarkan. Secara alami, bagian-bagian yang bermuatan akan cenderung kembali ke keadaan semula dengan energi yang lebih sedikit dan terhubung, yaitu mereka harus saling tarik menarik.

Dari sudut pandang interaksi jarak pendek, interaksi apa pun mengandaikan adanya pertukaran materi antara benda-benda yang berinteraksi, dan tindakan seketika pada jarak jauh dan telekinesis tidak mungkin dilakukan. Interaksi elektrostatik antar muatan dilakukan oleh medan listrik konstan. Kita tidak tahu apa itu, tapi kita dapat dengan yakin mengatakan bahwa medan tersebut bersifat material, karena ia mempunyai energi, massa, momentum, dan kecepatan terminal distribusi.

Garis-garis gaya yang digunakan untuk mewakili medan listrik keluar dari satu muatan (positif) dan tidak dapat putus dalam kekosongan, tetapi selalu masuk ke muatan lain (negatif). Mereka meregang seperti tentakel dari satu muatan ke muatan lainnya, menghubungkannya. Untuk mengurangi energi sistem muatan, volume yang ditempati medan cenderung minimum. Oleh karena itu, “tentakel” medan listrik yang terentang selalu cenderung berkontraksi, seperti pita elastis elastis yang diregangkan saat mengisi daya. Karena kontraksi inilah terjadi tarik-menarik muatan-muatan yang berbeda. Kekuatan tarik-menarik dapat diukur secara eksperimental. Ini memberikan hukum Coulomb.

Lain halnya dengan tuduhan dengan nama yang sama. Medan listrik total dari dua muatan meninggalkan masing-masing muatan dan menuju tak terhingga, dan kontak antara medan satu muatan dengan muatan lainnya tidak tercapai. “Tentakel” elastis dari satu muatan tidak mencapai muatan lainnya. Oleh karena itu, tidak ada dampak material langsung dari satu muatan terhadap muatan lainnya, mereka tidak punya apa pun untuk berinteraksi. Karena kita tidak mengenali telekinesis, maka tidak ada tolakan.

Lalu bagaimana kita dapat menjelaskan divergensi bilah eleroskop dan tolakan muatan yang diamati dalam eksperimen Coulomb? Ingatlah bahwa ketika kita menciptakan dua muatan positif untuk pengalaman kita, kita pasti akan membentuk muatan negatif di ruang sekitarnya.

Di sini ketertarikan padanya disalahartikan dan disalahartikan sebagai penolakan.