Co decyduje o ładunku elektrycznym. Co to jest opłata? Rodzaje ładunków i ich wzajemne oddziaływanie. Krótka historia ładunku elektrycznego

Definicja 1

Wiele osób wokół nas zjawiska fizyczne występujące w przyrodzie nie są wyjaśnione w prawach mechaniki, termodynamiki i teorii kinetyki molekularnej. Zjawiska takie opierają się na wpływie sił działających pomiędzy ciałami oddalonymi od siebie i niezależnymi od mas oddziałujących ciał, co od razu przeczy ich ewentualnej grawitacyjnej naturze. Siły te nazywane są elektromagnetyczny.

Nawet starożytni Grecy mieli pewną wiedzę na temat sił elektromagnetycznych. Jednak dopiero pod koniec XVIII wieku rozpoczęto systematyczne, ilościowe badania zjawisk fizycznych związanych z elektromagnetycznym oddziaływaniem ciał.

Definicja 2

Dzięki ciężkiej pracy duża ilość naukowcy w XIX wieku zakończyli tworzenie zupełnie nowej harmonijnej nauki zajmującej się badaniem magnetycznych i zjawiska elektryczne. Tak więc jedna z najważniejszych gałęzi fizyki otrzymała nazwę elektrodynamika.

Głównym przedmiotem badań stały się pola elektryczne i magnetyczne wytwarzane przez ładunki i prądy elektryczne.

Pojęcie ładunku w elektrodynamice odgrywa tę samą rolę, co masa grawitacyjna w mechanice Newtona. Jest ona zawarta w fundamencie sekcji i jest dla niej podstawowa.

Definicja 3

Ładunek elektryczny jest wielkością fizyczną charakteryzującą właściwość cząstek lub ciał do wchodzenia w interakcje sił elektromagnetycznych.

Litery q lub Q w elektrodynamice zwykle oznaczają ładunek elektryczny.

Podsumowując, wszystkie znane fakty potwierdzone eksperymentalnie dają nam możliwość wyciągnięcia następujących wniosków:

Definicja 4

Istnieją dwa rodzaje ładunków elektrycznych. Nazywa się je umownie ładunki dodatnie i ujemne.

Definicja 5

Ładunki mogą przenosić się (na przykład poprzez bezpośredni kontakt) między ciałami. Ładunek elektryczny, w przeciwieństwie do masy ciała, nie jest jego integralną cechą. Może przyjąć jeden konkretny organ w różnych warunkach inne znaczenie opłata.

Definicja 6

Podobnie jak ładunki odpychają się, w przeciwieństwie do ładunków przyciągają. W ten fakt Pojawia się kolejna fundamentalna różnica między siłami elektromagnetycznymi i grawitacyjnymi. Siły grawitacyjne zawsze reprezentują siły przyciągające.

Prawo zachowania ładunku elektrycznego jest jednym z podstawowych praw natury.

W układzie izolowanym suma algebraiczna ładunków wszystkich ciał jest stała:

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

Definicja 7

Prawo zachowania ładunku elektrycznego mówi, że w zamkniętym układzie ciał nie można zaobserwować procesów powstawania lub zaniku ładunków tylko jednego znaku.

Z punktu widzenia nowoczesna nauka, nośniki ładunku są cząstkami elementarnymi. Każdy zwykły przedmiot składa się z atomów. Składają się z protonów niosących ładunek dodatni, ujemnie naładowanych elektronów i cząstek neutralnych - neutronów. Protony i neutrony są część integralna jądra atomowe, tworzą się elektrony powłoka elektronowa atomy. W module ładunki elektryczne protonu i elektronu są równoważne i równe wartości ładunku elementarnego e.

W atomie obojętnym liczba elektronów w powłoce i protonów w jądrze jest taka sama. Liczba dowolnych cząstek nazywana jest liczbą atomową.

Taki atom ma zdolność zarówno utraty, jak i zyskania jednego lub większej liczby elektronów. Kiedy tak się dzieje, neutralny atom staje się jonem naładowanym dodatnio lub ujemnie.

Ładunek może przemieszczać się z jednego ciała do drugiego tylko w porcjach zawierających całkowitą liczbę ładunków elementarnych. Okazuje się, że ładunek elektryczny ciała jest wielkością dyskretną:

q = ± n mi (n = 0, 1, 2,...).

Definicja 8

Nazywa się wielkości fizyczne, które mogą przyjmować wyłącznie dyskretny szereg wartości skwantowany.

Definicja 9

Opłata podstawowa e oznacza kwant, czyli najmniejszą możliwą część ładunku elektrycznego.

Definicja 10

Tym, co nieco wyróżnia się na tle powyższego, jest fakt istnienia w współczesna fizyka cząstki elementarne tak zwana kwarki– cząstki o ładunkach ułamkowych ± 1 3 e i ± 2 3 e.

Jednak naukowcom nigdy nie udało się zaobserwować kwarków w stanie swobodnym.

Definicja 11

Do wykrywania i pomiaru ładunków elektrycznych w warunkach laboratoryjnych zwykle stosuje się elektrometr - urządzenie składające się z metalowego pręta i wskazówki, która może obracać się wokół osi poziomej (ryc. 1. 1. 1).

Pręt strzały jest odizolowany od metalowego korpusu. W kontakcie z prętem elektrometru naładowane ciało powoduje rozkład ładunków elektrycznych tego samego znaku wzdłuż pręta i strzałki. Pod wpływem elektrycznych sił odpychania igła odchyla się pod określonym kątem, na podstawie którego można określić ładunek przeniesiony na pręt elektrometru.

Obrazek 1 . 1. 1. Przeniesienie ładunku z naładowanego ciała na elektrometr.

Elektrometr jest raczej prymitywnym przyrządem. Jego czułość nie pozwala na badanie sił oddziaływania pomiędzy ładunkami. W 1785 roku po raz pierwszy odkryto prawo oddziaływania ładunków stacjonarnych. Odkrywcą był francuski fizyk C. Coulomb. W swoich eksperymentach mierzył siły przyciągania i odpychania naładowanych kulek za pomocą zaprojektowanego przez siebie urządzenia do pomiaru ładunku elektrycznego – wagi skrętnej (rys. 1, 1, 2), które charakteryzuje się niezwykle dużą czułością. Równowagę obrócono o 1° pod wpływem siły około 10 – 9 N.

Idea pomiarów opierała się na przypuszczeniu fizyka, że ​​gdy naładowana kula zetknie się z równie nienaładowaną kulą, istniejący ładunek pierwszej zostanie rozdzielony na równe części pomiędzy ciałami. W ten sposób uzyskano sposób na dwukrotną lub większą zmianę ładunku piłki.

Definicja 12

W swoich eksperymentach Coulomb mierzył oddziaływanie między kulkami, których rozmiary były znacznie mniejsze niż odległość je dzieląca, dlatego można je było pominąć. Takie naładowane ciała są zwykle nazywane opłaty punktowe.

Obrazek 1 . 1. 2. Urządzenie Coulomba.

Obrazek 1 . 1. 3. Siły oddziaływania pomiędzy ładunkami podobnymi i różnymi.

Na podstawie wielu eksperymentów Coulomb ustalił następujące prawo:

Definicja 13

Siły oddziaływania pomiędzy ładunkami stacjonarnymi są wprost proporcjonalne do iloczynu modułów ładunków i odwrotnie proporcjonalne do kwadratu odległości między nimi: F = k q 1 · q 2 r 2 .

Siły oddziaływania to siły odpychania o tych samych znakach ładunków i siły przyciągania o różnych znakach (ryc. 1, 1, 3), a także podlegają trzeciemu prawu Newtona:
fa 1 → = - fa 2 → .

Definicja 14

Oddziaływanie kulombowskie lub elektrostatyczne to wzajemne oddziaływanie stacjonarnych ładunków elektrycznych.

Definicja 15

Dział elektrodynamiki zajmujący się badaniem oddziaływań kulombowskich nazywa się elektrostatyka.

Prawo Coulomba można zastosować do ciał naładowanych punktowo. W praktyce w pełni spełnione jest, jeśli wymiary ciał naładowanych można pominąć ze względu na odległość między obiektami oddziaływania znacznie je przekraczającą.

Współczynnik proporcjonalności k w prawie Coulomba zależy od wyboru układu jednostek.

W Międzynarodowym Systemie Symboli jednostką miary ładunku elektrycznego jest kulomb (K l).

Definicja 16

Wisiorek jest ładunkiem przechodzącym przez Przekrój przewodnik o natężeniu prądu 1 A. Jednostka prądu (amper) w C I jest, obok jednostek długości, czasu i masy, podstawową jednostką miary.

Współczynnik k w systemie CI w większości przypadków zapisuje się w postaci następującego wyrażenia:

k = 1 4 π ε 0 .

W którym ε 0 = 8,85 · 10 - 12 K l 2 N · m 2 jest stałą elektryczną.

W układzie C I ładunek elementarny e jest równy:

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

Na podstawie doświadczenia możemy powiedzieć, że siły oddziaływania Coulomba przestrzegają zasady superpozycji.

Twierdzenie 1

Jeśli naładowane ciało oddziałuje jednocześnie z kilkoma naładowanymi ciałami, wówczas wynikowa siła działająca na to ciało jest równa suma wektorowa siły działające na to ciało od wszystkich innych naładowanych ciał.

Na rysunku 1. 1. 4, na przykładzie oddziaływania elektrostatycznego trzech naładowanych ciał, wyjaśniono zasadę superpozycji.

Obrazek 1 . 1. 4. Zasada superpozycji siły elektrostatyczne fa → = fa 21 → + fa 31 → ; fa 2 → = fa 12 → + fa 32 → ; fa 3 → = fa 13 → + fa 23 → .

Obrazek 1 . 1. 5. Model oddziaływania ładunków punktowych.

Choć zasada superpozycji jest podstawowym prawem natury, jej stosowanie wymaga pewnej ostrożności w przypadku oddziaływania naładowanych ciał o skończonych wymiarach. Przykładem mogą być dwie przewodzące naładowane kule 1 i 2. Jeśli inna naładowana kula zostanie doprowadzona do podobnego układu składającego się z dwóch naładowanych kul, wówczas interakcja między 1 i 2 ulegnie zmianie w wyniku redystrybucji ładunków.

Zasada superpozycji zakłada, że ​​siły oddziaływania elektrostatycznego pomiędzy dowolnymi dwoma ciałami nie zależą od obecności innych naładowanych ciał, pod warunkiem, że rozkład ładunków jest ustalony (dany).

Jeśli zauważysz błąd w tekście, zaznacz go i naciśnij Ctrl+Enter

Musimy dosłownie wyciągać świeżo wyprane ubrania z suszarki, jedna po drugiej, albo gdy po prostu nie możemy naelektryzować naszych włosów i dosłownie stać na głowie. Kto nie próbował się powiesić balon do sufitu po potarciu nim głowy? To przyciąganie i odpychanie jest manifestacją elektryczność statyczna. Takie działania nazywane są elektryfikacja.

Elektryczność statyczną tłumaczy się jej istnieniem w przyrodzie ładunek elektryczny. Ładunek jest integralną właściwością cząstek elementarnych. Ładunek, który pojawia się na szkle po potarciu o jedwab, jest umownie nazywany ładunkiem pozytywny, a ładunek powstający na ebonicie podczas tarcia z wełną wynosi negatywny.

Rozważmy atom. Atom składa się z jądra i elektronów krążących wokół niego (na rysunku niebieskie cząstki). Jądro składa się z protonów (czerwony) i neutronów (czarny).

.

Nośnikiem ładunku ujemnego jest elektron, ładunkiem dodatnim jest proton. Neutron jest cząstką neutralną i nie ma ładunku.

Wielkość ładunku elementarnego - elektronu lub protonu, ma stałą wartość i jest równa

Cały atom jest naładowany obojętnie, jeśli liczba protonów odpowiada liczbie elektronów. Co się stanie, jeśli jeden elektron oderwie się i odleci? Atom będzie miał o jeden proton więcej, czyli będzie więcej cząstek dodatnich niż ujemnych. Taki atom nazywa się jon dodatni. A jeśli przyłączy się jeden dodatkowy elektron, otrzymamy jon ujemny. Elektrony po odłączeniu mogą nie połączyć się ponownie, ale przez pewien czas poruszać się swobodnie, tworząc ładunek ujemny. Zatem swobodnymi nośnikami ładunku w substancji są elektrony, jony dodatnie i jony ujemne.

Aby powstał wolny proton, jądro musi zostać zniszczone, a to oznacza zniszczenie całego atomu. Nie będziemy rozważać takich metod uzyskiwania ładunków elektrycznych.

Ciało zostaje naładowane, gdy zawiera nadmiar jednej lub drugiej naładowanej cząsteczki (elektronów, jonów dodatnich lub ujemnych).

Ilość ładunku znajdującego się na ciele jest wielokrotnością ładunku elementarnego. Na przykład, jeśli ciało ma 25 wolnych elektronów, a pozostałe atomy są obojętne, wówczas ciało jest naładowane ujemnie, a jego ładunek wynosi . Ładunek elementarny jest niepodzielny – ta właściwość nazywa się dyskrecja

Podobnie jak ładunki (dwa dodatnie lub dwa ujemne) odeprzeć, odwrotnie (dodatni i ujemny) - są przyciągane

Opłata punktowa- jest punktem materialnym, który ma ładunek elektryczny.

Prawo zachowania ładunku elektrycznego

Zamknięty układ ciał w elektryczności to układ ciał, w którym nie ma wymiany ładunków elektrycznych pomiędzy ciałami zewnętrznymi.

Suma algebraiczna ładunków elektrycznych ciał lub cząstek pozostaje stała podczas wszelkich procesów zachodzących w układzie elektrycznie zamkniętym.

Rysunek pokazuje przykład prawa zachowania ładunku elektrycznego. Na pierwszym zdjęciu widać dwa ciała o przeciwnych ładunkach. Drugie zdjęcie przedstawia te same ciała po kontakcie. Na trzecim rysunku trzecie ciało neutralne zostało wprowadzone do elektrycznie zamkniętego układu, a ciała weszły ze sobą w interakcję.

W każdej sytuacji suma algebraiczna ładunku (uwzględniając znak ładunku) pozostaje stała.

Najważniejszą rzeczą do zapamiętania

1) Elementarny ładunek elektryczny - elektron i proton
2) Ilość ładunku elementarnego jest stała
3) Ładunki dodatnie i ujemne oraz ich wzajemne oddziaływanie
4) Nośnikami swobodnego ładunku są elektrony, jony dodatnie i jony ujemne
5) Ładunek elektryczny jest dyskretny
6) Prawo zachowania ładunku elektrycznego

Ładunek elektryczny– wielkość fizyczna charakteryzująca zdolność ciał do wchodzenia w oddziaływania elektromagnetyczne. Mierzone w kulombach.

Elementarny ładunek elektryczny– minimalny ładunek, jaki mają cząstki elementarne (ładunek protonów i elektronów).

mi= kl

Ciało ma ładunek, oznacza, że ​​ma dodatkowe lub brakujące elektrony. Opłata ta jest wyznaczona Q = nie. (jest równa liczbie ładunków elementarnych).

Zelektryzuj ciało– tworzą nadmiar i niedobór elektronów. Metody: elektryfikacja poprzez tarcie I elektryfikacja przez kontakt.

Punktowy świt d jest ładunkiem ciała, który można przyjąć jako punkt materialny.

Opłata testowa () – punktowy, mały ładunek, zawsze dodatni – używany do badań pole elektryczne.

Prawo zachowania ładunku: w układzie izolowanym suma algebraiczna ładunków wszystkich ciał pozostaje stała dla wszelkich oddziaływań tych ciał ze sobą.

prawo Coulomba: siły oddziaływania pomiędzy dwoma ładunkami punktowymi są proporcjonalne do iloczynu tych ładunków, odwrotnie proporcjonalne do kwadratu odległości między nimi, zależą od właściwości ośrodka i są skierowane wzdłuż linii prostej łączącej ich środki.

, Gdzie
F/m, Cl 2 /nm 2 – dielektryk. szybko. próżnia

- dotyczy. stała dielektryczna (>1)

- absolutna przenikalność dielektryczna. środowisko

Pole elektryczne– ośrodek materialny, poprzez który następuje oddziaływanie ładunków elektrycznych.

Właściwości pola elektrycznego:

Charakterystyka pola elektrycznego:

Napięcie (mi) - wielkość wektorowa, równa sile, działając na jednostkowy ładunek próbny umieszczony w danym punkcie.

Mierzone w NC.

Kierunek– taki sam jak siła działająca.

Napięcie nie zależy ani na siłę, ani na wielkość ładunku próbnego.

Superpozycja pól elektrycznych: natężenie pola wytworzonego przez kilka ładunków jest równe sumie wektorowej natężeń pola każdego ładunku:

Graficznie Pole elektroniczne jest reprezentowane za pomocą linii napięcia.

Linia napięcia– linia, której styczna w każdym punkcie pokrywa się z kierunkiem wektora napięcia.

Właściwości linii naprężenia: nie przecinają się, przez każdy punkt można poprowadzić tylko jedną linię; nie są zamknięte, pozostawiają ładunek dodatni i wchodzą w ładunek ujemny lub rozpraszają się w nieskończoność.

Rodzaje pól:

Jednolite pole elektryczne– pole, którego wektor natężenia w każdym punkcie jest taki sam pod względem wielkości i kierunku.

Niejednorodne pole elektryczne– pole, którego wektor natężenia w każdym punkcie jest nierówny pod względem wielkości i kierunku.

Stałe pole elektryczne– wektor napięcia nie zmienia się.

Zmienne pole elektryczne– zmienia się wektor napięcia.

Praca wykonana przez pole elektryczne podczas przemieszczania ładunku.

, gdzie F to siła, S to przemieszczenie, - kąt pomiędzy F i S.

Dla jednolitego pola: siła jest stała.

Praca nie zależy od kształtu trajektorii; praca wykonana podczas poruszania się po zamkniętej drodze wynosi zero.

Dla pola niejednorodnego:

Potencjał pola elektrycznego– stosunek pracy, jaką wykonuje pole przemieszczając próbny ładunek elektryczny do nieskończoności, do wielkości tego ładunku.

- potencjał– charakterystyka energetyczna pola. Mierzone w woltach

Potencjalna różnica:

Jeśli
, To

, Oznacza

- potencjalny gradient.

Dla jednolitego pola: różnica potencjałów – Napięcie:

. Mierzy się go w woltach, urządzeniami są woltomierze.

Pojemność elektryczna– zdolność ciał do gromadzenia ładunku elektrycznego; stosunek ładunku do potencjału, który jest zawsze stały dla danego przewodnika.

.

Nie zależy od ładunku i nie zależy od potencjału. Ale to zależy od rozmiaru i kształtu przewodnika; na właściwości dielektryczne ośrodka.

, gdzie r jest rozmiarem,
- przepuszczalność środowiska wokół ciała.

Pojemność elektryczna wzrasta, jeśli w pobliżu znajdują się jakiekolwiek ciała - przewodniki lub dielektryki.

Kondensator– urządzenie do gromadzenia ładunku. Moc elektryczna:

Płaski kondensator– dwie metalowe płytki z dielektrykiem pomiędzy nimi. Pojemność elektryczna kondensatora płaskiego:

, gdzie S jest powierzchnią płyt, d jest odległością między płytami.

Energia naładowanego kondensatora równa pracy wykonanej przez pole elektryczne podczas przenoszenia ładunku z jednej płyty na drugą.

Mały transfer opłat
, napięcie zmieni się na
, praca została wykonana
. Ponieważ
i C = stała,
. Następnie
. Zintegrujmy:

Energia pola elektrycznego:
, gdzie V=Sl jest objętością zajmowaną przez pole elektryczne

Dla pola niejednorodnego:
.

Wolumetryczna gęstość pola elektrycznego:
. Mierzone w J/m 3.

Dipole elektryczne– układ składający się z dwóch jednakowych, lecz przeciwnych znaków, punktowych ładunków elektrycznych, znajdujących się w pewnej odległości od siebie (ramię dipolowe - l).

Główną cechą dipola jest moment dipolowy– wektor równy iloczynowi ładunku i ramienia dipolowego, skierowany od ładunku ujemnego do dodatniego. Wyznaczony
. Mierzona w kulombometrach.

Dipol w jednorodnym polu elektrycznym.

Na każdy ładunek dipola działają następujące siły:
I
. Siły te są skierowane przeciwnie i tworzą moment pary sił - moment obrotowy: , gdzie

M – moment obrotowy F – siły działające na dipol

d – ramię siłowe l – ramię dipolowe

p – moment dipolowy E – napięcie

- kąt pomiędzy p i E q – ładunek

Pod wpływem momentu obrotowego dipol obróci się i ustawi w kierunku linii naprężenia. Wektory p i E będą równoległe i jednokierunkowe.

Dipol w nierównomiernym polu elektrycznym.

Występuje moment obrotowy, co oznacza, że ​​dipol będzie się obracał. Ale siły będą nierówne i dipol przesunie się tam, gdzie siła jest większa.

- gradient napięcia. Im wyższy gradient napięcia, tym większa siła boczna, która ciągnie dipol. Dipol jest zorientowany wzdłuż linii siły.

Dipolowe pole wewnętrzne.

Ale . Następnie:

.

Niech dipol będzie w punkcie O, a jego ramię będzie małe. Następnie:

.

Wzór uzyskano biorąc pod uwagę:

Zatem różnica potencjałów zależy od sinusa kąta połówkowego, pod którym widoczne są punkty dipolowe, oraz od rzutu momentu dipolowego na linię prostą łączącą te punkty.

Dielektryki w polu elektrycznym.

Dielektryk- substancja, która nie ma ładunków swobodnych i dlatego nie przewodzi prądu elektrycznego. Jednak w rzeczywistości przewodnictwo istnieje, ale jest znikome.

Klasy dielektryka:

z cząsteczkami polarnymi (woda, nitrobenzen): cząsteczki nie są symetryczne, środki masy ładunków dodatnich i ujemnych nie pokrywają się, co oznacza, że ​​posiadają moment dipolowy nawet w przypadku braku pola elektrycznego.

Z cząsteczki niepolarne(wodór, tlen): cząsteczki są symetryczne, środki masy ładunków dodatnich i ujemnych pokrywają się, co oznacza, że ​​w przypadku braku pola elektrycznego nie posiadają momentu dipolowego.

krystaliczny (chlorek sodu): połączenie dwóch podsieci, z których jedna jest naładowana dodatnio, a druga ujemnie; w przypadku braku pola elektrycznego całkowity moment dipolowy wynosi zero.

Polaryzacja– proces przestrzennego rozdziału ładunków, pojawienie się związanych ładunków na powierzchni dielektryka, co prowadzi do osłabienia pola wewnątrz dielektryka.

Metody polaryzacji:

Metoda 1 – polaryzacja elektrochemiczna:

Na elektrodach – ruch kationów i anionów w ich kierunku, neutralizacja substancji; powstają obszary ładunków dodatnich i ujemnych. Prąd stopniowo maleje. Szybkość ustanawiania mechanizmu neutralizacji charakteryzuje się czasem relaksacji – jest to czas, w którym emf polaryzacyjny wzrasta od 0 do maksimum od momentu przyłożenia pola. = 10 -3 -10 -2 s.

Metoda 2 – polaryzacja orientacyjna:

Na powierzchni dielektryka powstają nieskompensowane bieguny, tj. zachodzi zjawisko polaryzacji. Napięcie wewnątrz dielektryka jest mniejsze niż napięcie zewnętrzne. Czas relaksu: = 10 -13 -10 -7 s. Częstotliwość 10 MHz.

Metoda 3 – polaryzacja elektronowa:

Charakterystyka cząsteczek niepolarnych, które stają się dipolami. Czas relaksu: = 10 -16 -10 -14 s. Częstotliwość 10 8 MHz.

Metoda 4 – polaryzacja jonowa:

Dwie sieci (Na i Cl) są przesunięte względem siebie.

Czas relaksu:

Metoda 5 – polaryzacja mikrostrukturalna:

Charakterystyka struktur biologicznych, gdy warstwy naładowane i nienaładowane występują naprzemiennie. Na przegrodach półprzepuszczalnych lub nieprzepuszczalnych dla jonów następuje redystrybucja jonów.

Czas relaksu: =10 -8 -10 -3 s. Częstotliwość 1 kHz

Charakterystyka liczbowa stopnia polaryzacji:

Elektryczność– jest to uporządkowany ruch ładunków swobodnych w materii lub w próżni.

Warunki istnienia prądu elektrycznego:

obecność bezpłatnych opłat

obecność pola elektrycznego, tj. siły działające na te ładunki

Aktualna siła– wartość równa ładunkowi, który przechodzi przez dowolny przekrój przewodnika w jednostce czasu (1 sekunda)

Mierzone w amperach.

n – stężenie ładunku

q – kwota ładunku

S – pole przekroju poprzecznego przewodu

- prędkość kierunkowego ruchu cząstek.

Prędkość ruchu naładowanych cząstek w polu elektrycznym jest niewielka - 7 * 10 -5 m/s, prędkość propagacji pola elektrycznego wynosi 3 * 10 8 m/s.

Gęstość prądu– ilość ładunku przechodzącego przez przekrój 1 m2 w ciągu 1 sekundy.

. Mierzone w A/m2.

- siła działająca na jon z pola elektrycznego jest równa sile tarcia

- ruchliwość jonów

- prędkość kierunkowego ruchu jonów = mobilność, natężenie pola

Im większe stężenie jonów, ich ładunek i ruchliwość, tym większa przewodność właściwa elektrolitu. Wraz ze wzrostem temperatury wzrasta ruchliwość jonów i wzrasta przewodność elektryczna.

Ładunek elektryczny jest wielkość fizyczna, co jest nieodłączną cechą niektórych cząstek elementarnych. Przejawia się poprzez siły przyciągania i odpychania pomiędzy naładowanymi ciałami pole elektromagnetyczne. Rozważmy właściwości fizyczne opłaty i rodzaje opłat.

Ogólne pojęcie ładunku elektrycznego

Materia posiadająca niezerowy ładunek elektryczny aktywnie oddziałuje z polem elektromagnetycznym i z kolei tworzy to pole. Oddziaływanie naładowanego ciała z polem elektromagnetycznym jest jednym z czterech rodzajów oddziaływań siłowych znanych człowiekowi. Mówiąc o ładunkach i rodzajach ładunków, należy zauważyć, że z punktu widzenia modelu standardowego ładunek elektryczny odzwierciedla zdolność ciała lub cząstki do wymiany nośników pola elektromagnetycznego – fotonów – z innym naładowanym ciałem lub cząstką elektromagnetyczną pole.

Jedną z ważnych cech różnych typów ładunków jest zachowanie ich sumy w układzie izolowanym. Oznacza to, że całkowity ładunek utrzymuje się przez nieokreślony długi czas, niezależnie od rodzaju interakcji zachodzącej w systemie.

Ładunek elektryczny nie jest ciągły. Eksperymenty Roberta Millikana wykazały dyskretną naturę ładunku elektrycznego. Rodzaje ładunków występujących w przyrodzie mogą być dodatnie lub ujemne.

Ładunki dodatnie i ujemne

Nośnikami dwóch rodzajów ładunków są protony i elektrony. Ze względów historycznych ładunek elektronu jest uważany za ujemny, ma wartość -1 i jest oznaczany -e. Proton ma ładunek dodatni +1 i jest oznaczony jako +e.

Jeżeli ciało zawiera więcej protonów niż elektronów, wówczas uważa się je za naładowane dodatnio. Uderzającym przykładem ładunku dodatniego w przyrodzie jest ładunek szklanego pręta po potarciu go jedwabną szmatką. W związku z tym, jeśli ciało zawiera więcej elektronów niż protonów, uważa się je za naładowane ujemnie. Ten rodzaj ładunku elektrycznego obserwuje się na plastikowej linijce pocieranej wełną.

Należy zauważyć, że ładunek protonu i elektronu, choć bardzo mały, nie jest elementarny. Odkryto kwarki – „cegiełki”, z których powstają cząstki elementarne posiadające ładunki ±1/3 i ±2/3 w stosunku do ładunku elektronu i protonu.

Jednostka

Rodzaje ładunków, zarówno dodatnie, jak i ujemne, w systemie międzynarodowym Jednostki SI mierzy się w kulombach. Ładunek 1 kulomba to bardzo duży ładunek, który definiuje się jako przechodzący przez przekrój poprzeczny przewodnika w ciągu 1 sekundy przy natężeniu prądu 1 ampera. Jeden wisiorek odpowiada 6,242 * 10 18 wolnych elektronów. Oznacza to, że ładunek jednego elektronu wynosi -1/(6,242*10 18) = -1,602*10 -19 kulombów. Ta sama wartość, tylko ze znakiem plus, jest charakterystyczna dla innego rodzaju ładunku w przyrodzie - dodatniego ładunku protonu.

Krótka historia ładunku elektrycznego

Już od czasów starożytnej Grecji wiadomo było, że pocierając skórę o bursztyn, nabywa on zdolność przyciągania lekkich ciał, na przykład słomy czy ptasich piór. Odkrycie to należy do greckiego filozofa Talesa z Miletu, który żył 2500 lat temu.

W 1600 roku angielski lekarz William Gilbert zauważył, że wiele materiałów po pocieraniu zachowuje się jak bursztyn. Słowo „bursztyn” w starożytnej Grecji brzmi jak „elektron”. Gilbert zaczął używać tego terminu do określenia wszystkich takich zjawisk. Później pojawiły się inne terminy, takie jak „prąd” i „ładunek elektryczny”. W swojej pracy Gilbert potrafił także rozróżnić zjawiska magnetyczne i elektryczne.

Odkrycie istnienia przyciągania i odpychania pomiędzy ciałami naładowanymi elektrycznie należy do fizyka Stefana Graya. Pierwszym naukowcem, który zasugerował istnienie dwóch rodzajów ładunków elektrycznych, był francuski chemik i fizyk Charles Francois Dufay. Zjawisko ładunku elektrycznego było również szczegółowo badane przez Benjamina Franklina. Pod koniec XVIII wieku francuski fizyk Charles Augustin de Coulomb odkrył swoje słynne prawo.

Niemniej jednak wszystkie te obserwacje udało się sformułować w spójną teorię elektryczności dopiero w połowie XIX wieku. W tym miejscu należy zwrócić uwagę na znaczenie prac Michaela Faradaya nad badaniem procesów elektrolizy i Jamesa Maxwella, który kompleksowo opisał zjawiska elektromagnetyczne.

Współczesne koncepcje dotyczące natury elektryczności i dyskretnego ładunku elektrycznego zawdzięczają swoje istnienie pracom Josepha Thomsona, który odkrył elektron, i Roberta Millikana, który zmierzył jego ładunek.

Moment magnetyczny i ładunek elektryczny

Benjamin Franklin zidentyfikował rodzaje opłat. Są dwa z nich: pozytywne i negatywne. Dwa ładunki tego samego znaku odpychają się, a dwa ładunki przeciwnego znaku przyciągają.

Wraz z pojawieniem się mechaniki kwantowej i fizyki cząstek wykazano, że oprócz ładunku elektrycznego cząstki mają moment magnetyczny, który nazywa się spinem. Ze względu na właściwości elektryczne i magnetyczne cząstek elementarnych w przyrodzie istnieje pole elektromagnetyczne.

Zasada zachowania ładunku elektrycznego

Z wyników wielu eksperymentów wynika, że ​​zasada zachowania ładunku elektrycznego głosi, że nie ma możliwości zniszczenia ładunku ani jego powstania z niczego oraz że w każdym procesie elektromagnetycznym zachodzącym w układzie izolowanym całkowity ładunek elektryczny zostaje zachowany.

W wyniku procesu elektryfikacji całkowita liczba protonów i elektronów nie ulega zmianie, następuje jedynie rozdzielenie ładunków. Ładunek elektryczny może pojawić się w jakiejś części systemu, gdzie wcześniej go nie było, ale ogólny ładunek systemu nadal się nie zmieni.

Gęstość ładunku elektrycznego

Gęstość ładunku odnosi się do jego ilości na jednostkę długości, powierzchni lub objętości przestrzeni. W związku z tym mówią o trzech rodzajach jego gęstości: liniowej, powierzchniowej i objętościowej. Ponieważ istnieją dwa rodzaje ładunków, gęstość może być również dodatnia i ujemna.

Pomimo tego, że ładunek elektryczny jest skwantowany, czyli dyskretny, w szeregu eksperymentów i procesów liczba jego nośników jest na tyle duża, że ​​można uznać, że są one równomiernie rozłożone w całym ciele. To dobre przybliżenie pozwala nam uzyskać szereg ważnych praw eksperymentalnych dotyczących zjawisk elektrycznych.

Badając zachowanie dwóch ładunków punktowych na wadze skrętnej, czyli takich, dla których odległość między nimi znacznie przekracza ich wymiary, Charles Coulomb w 1785 roku odkrył prawo oddziaływania pomiędzy ładunkami elektrycznymi. Naukowiec sformułował to prawo w następujący sposób:

Wielkość każdej siły, z jaką oddziałują dwa ładunki punktowe w spoczynku, jest wprost proporcjonalna do iloczynu ich ładunków elektrycznych i odwrotnie proporcjonalna do kwadratu odległości je dzielącej. Siły oddziaływania skierowane są wzdłuż linii łączącej naładowane ciała.

Należy zauważyć, że prawo Coulomba nie zależy od rodzaju ładunku: zmiana znaku ładunku spowoduje jedynie zmianę kierunku działającej siły na przeciwny, przy zachowaniu jej modułu. Współczynnik proporcjonalności w prawie Coulomba zależy od stałej dielektrycznej ośrodka, w którym rozpatrywane są ładunki.

Zatem wzór na siłę Coulomba zapisuje się w postaci: F = k*q 1 *q 2 /r 2, gdzie q 1, q 2 to wielkości ładunków, r to odległość między ładunkami, k = 9*10 9 N*m 2 /Cl 2 - współczynnik proporcjonalności dla próżni.

Stałą k poprzez uniwersalną stałą dielektryczną ε 0 i stałą dielektryczną materiału ε wyraża się następująco: k = 1/(4*pi*ε*ε 0), gdzie pi jest liczbą pi, a ε > 1 dla dowolny środek.

Prawo Coulomba nie obowiązuje w następujących przypadkach:

• kiedy naładowane cząstki zaczynają się poruszać, a zwłaszcza gdy ich prędkości zbliżają się do prędkości światła;
• gdy odległość między ładunkami jest mała w porównaniu z ich wymiarami geometrycznymi.

Warto to zauważyć forma matematyczna Prawo Coulomba pokrywa się z prawem powszechnego ciążenia, w którym rolę ładunku elektrycznego pełni masa ciała.

Metody przenoszenia ładunku elektrycznego i elektryfikacja

Przez elektryfikację rozumie się proces, w wyniku którego ciało elektrycznie obojętne uzyskuje niezerowy ładunek. Proces ten związany jest z ruchem elementarnych nośników ładunku, najczęściej elektronów. Możesz naelektryzować ciało, stosując następujące metody:

• W wyniku kontaktu. Jeżeli naładowane ciało zetknie się z innym ciałem składającym się z materiału przewodzącego, to ono nabierze ładunku elektrycznego.
• Tarcie izolatora o inny materiał.
• Indukcja elektryczna. Istotą tego zjawiska jest redystrybucja ładunków elektrycznych wewnątrz ciała pod wpływem oddziaływania elektrycznego pole zewnętrzne.
• Efekt fotoelektryczny to zjawisko polegające na wyrzucaniu elektronów solidny ze względu na wpływ na niego promieniowanie elektromagnetyczne.
• Elektroliza. Proces fizyczny i chemiczny zachodzący w stopach i roztworach soli, kwasów i zasad.
• Efekt termoelektryczny. W tym przypadku elektryfikacja następuje z powodu gradientów temperatury w ciele.

Wszystkie ciała otaczającego nas świata składają się z dwóch rodzajów stabilnych cząstek - protonów, naładowanych dodatnio i elektronów, które mają ten sam ładunek i znak ujemny. Liczba elektronów jest równa liczbie protonów. Dlatego Wszechświat jest elektrycznie obojętny.

Ponieważ elektron i proton nigdy ( przynajmniej przez ostatnie 14 miliardów lat) nie ulegną rozkładowi, wówczas Wszechświat nie będzie mógł naruszyć swojej neutralności żadnymi wpływami człowieka. Wszystkie ciała są zwykle również elektrycznie obojętne, to znaczy zawierają taką samą liczbę elektronów i protonów.

Aby naładować ciało, należy je usunąć, przenieść do innego ciała lub dodać do niego, pobierając z innego ciała, pewną liczbę N elektronów lub protonów. Ładunek ciała stanie się równy Ne. Trzeba pamiętać ( o czym zwykle się zapomina), że ten sam ładunek przeciwnego znaku (Ne) nieuchronnie powstaje na innym ciele (lub ciałach). Pocierając patyk ebonitowy wełną, ładujemy nie tylko ebonit, ale także wełnę, przenosząc część elektronów z jednego na drugi.

Twierdzenie o przyciąganiu dwóch ciał o identycznych przeciwnych ładunkach zgodnie z zasadami weryfikacji i falsyfikacji ma charakter naukowy, ponieważ w zasadzie można je potwierdzić lub obalić eksperymentalnie. Tutaj eksperyment można przeprowadzić wyłącznie, bez udziału ciał trzecich, po prostu przenosząc część elektronów lub protonów z jednego ciała doświadczalnego na drugie.

Zupełnie inaczej przedstawia się obraz w przypadku stwierdzenia o odpychaniu jednakowych ładunków. Fakt jest taki tylko dwa np. dodatni, ładunek q1, q2 za wykonanie doświadczenia nie można utworzyć, ponieważ próba ich stworzenia jest zawsze nieunikniona pojawia się trzeci, ładunek ujemny q3 = -(qi + q2). Zatem w eksperymencie niekoniecznie wezmą udział dwie osoby, i trzy zarzuty. W zasadzie nie da się przeprowadzić eksperymentu z dwoma ładunkami o tej samej nazwie.

Dlatego stwierdzenie Coulomba o odpychaniu podobnych ładunków zgodnie z wymienionymi zasadami jest nienaukowe.

Z tego samego powodu doświadczenie z dwoma ładunkami o różnych znakach q1, - q2 jest niemożliwe, jeśli ładunki te nie są sobie równe. Tutaj nieuchronnie pojawia się trzeci ładunek q3 = q1 - q2, który bierze udział w interakcji i wpływa na wynikową siłę.

Niewidomi zwolennicy Coulomba zapominają o obecności trzeciego ładunku i nie biorą go pod uwagę. Dwa ciała o jednakowych ładunkach o przeciwnych znakach można utworzyć rozbijając atomy na dwie naładowane części i przenosząc te części z jednego ciała na drugie. Przy takiej szczelinie należy wykonać pracę i wydać energię. Naturalnie naładowane części będą miały tendencję do powrotu do stanu pierwotnego przy mniejszej energii i połączenia się, tj. powinny się przyciągać.

Z punktu widzenia interakcji krótkiego zasięgu, jakakolwiek interakcja zakłada obecność wymiany czegoś materialnego pomiędzy oddziałującymi ciałami, a natychmiastowe działanie na odległość i telekineza są niemożliwe. Oddziaływania elektrostatyczne pomiędzy ładunkami zachodzą pod wpływem stałego pola elektrycznego. Nie wiemy, co to jest, ale możemy śmiało powiedzieć, że pole jest materialne, ponieważ ma energię, masę, pęd i prędkość końcowa dystrybucja.

Linie siły przyjęte do reprezentowania pola elektrycznego pochodzą z jednego ładunku (dodatniego) i nie mogą przerwać się w pustce, ale zawsze wchodzą w inny ładunek (ujemny). Rozciągają się jak macki od jednego ładunku do drugiego, łącząc je. Aby zmniejszyć energię układu ładowania, objętość zajmowana przez pole dąży do minimum. Dlatego rozciągnięte „macki” pola elektrycznego zawsze mają tendencję do kurczenia się, niczym elastyczne gumki rozciągane podczas ładowania. W wyniku tego skurczu następuje przyciąganie różnych ładunków. Siłę przyciągania można zmierzyć eksperymentalnie. Daje prawo Coulomba.

Zupełnie inaczej jest w przypadku podopiecznych o tej samej nazwie. Całkowite pole elektryczne dwóch ładunków opuszcza każdy z nich i dąży do nieskończoności, a kontakt między polami jednego i drugiego ładunku nie zostaje osiągnięty. Elastyczne „macki” jednego ładunku nie sięgają drugiego. Nie ma zatem bezpośredniego, materialnego wpływu jednego ładunku na drugi, nie mają z czym współdziałać. Ponieważ nie rozpoznajemy telekinezy, zatem nie może być odpychania.

Jak zatem wytłumaczyć rozbieżność ostrzy eleroskopu i odpychanie ładunku zaobserwowane w doświadczeniach Coulomba? Pamiętajmy, że tworząc dwa ładunki dodatnie dla naszego doświadczenia, nieuchronnie tworzymy ładunek ujemny w otaczającej nas przestrzeni.

Tutaj pociąg do niego jest błędny i traktowany jako odpychający.