Меню

Какие бывают заряды электрического тока



III. Основы электродинамики

Тестирование онлайн

Электрический заряд

Нам приходится буквально отлеплять одну от другой свежевыстиранные и доставаемые из сушилки вещи, или когда мы никак не можем привести в порядок наэлектризованные и буквально встающие дыбом волосы. А кто не пробовал подвесить воздушный шарик к потолку, после трения его о голову? Подобное притяжение и отталкивание является проявлением статического электричества. Подобные действия называются электризацией.

Статическое электричество объясняется существованием в природе электрического заряда. Заряд является неотъемлемым свойством элементарных частиц. Заряд, который возникает на стекле при трении его о шелк, условно называют положительным, а заряд, возникающий на эбоните при трении о шерсть, — отрицательным.

Рассмотрим атом. Атом состоит из ядра и, летающих вокруг него, электронов (на рисунке синие частицы). Ядро состоит из протонов (красные) и нейтронов (черные).

.

Носителем отрицательного заряда является электрон, положительного — протон. Нейтрон — нейтральная частица, не имеет заряда.

Величина элементарного заряда — электрона или протона, имеет постоянное значение и равна

Весь атом нейтрально заряжен, если количество протонов соответствует электронам. Что произойдет, если один электрон оторвется и улетит? У атома станет на один протон больше, то есть положительных частиц больше, чем отрицательных. Такой атом называют положительным ионом. А если присоединится один электрон лишний — получим отрицательный ион. Электроны, оторвавшись, могут не присоединятся, а некоторое время свободно перемещаться, создавая отрицательный заряд. Таким образом, в веществе свободными носителями заряда являются электроны, положительные ионы и отрицательные ионы.

Для того, чтобы имелся свободный протон, необходимо, чтобы разрушилось ядро, а это означает разрушение атома целиком. Такие способы получения электрического заряды мы рассматривать не будем.

Тело становится заряженным, когда оно содержит избыток одних или иных заряженных частиц (электронов, положительных или отрицательных ионов).

Величина заряда тела кратна элементарному заряду. Например, если в теле 25 свободных электронов, а остальные атомы являются нейтральными, то тело заряжено отрицательно и его заряд составляет . Элементарный заряд не делим — это свойство называется дискретностью

Одноименные заряды (два положительных или два отрицательных) отталкиваются, разноименные (положительный и отрицательный) — притягиваются

Точечный заряд — это материальная точка, которая имеет электрический заряд.

Закон сохранения электрического заряда

Замкнутая система тел в электричестве — это такая система тел, когда между внешними телами нет обмена электрическими зарядами.

Алгебраическая сумма электрических зарядов тел или частиц остается постоянной при любых процессах, происходящих в электрически замкнутой системе.

На рисунке пример закона сохранения электрического заряда. На первой картинке два тела разноименного заряда. На втором рисунке те же тела после соприкосновения. На третьем рисунке в электрически замкнутую систему внесли третье нейтральное тело и тела привели во взаимодействие друг с другом.

В каждой ситуации алгебраическая сумма заряда (с учетом знака заряда) остается постоянной.

Главное запомнить

1) Элементарный электрический заряд — электрон и протон
2) Величина элементарного заряда постоянна
3) Положительный и отрицательный заряды и их взаимодействие
4) Носителями свободных зарядов являются электроны, положительные ионы и отрицательные ионы
5) Электрический заряд дискретен
6) Закон сохранения электрического заряда

Источник

Электрический заряд — это величина или частица, и в чем он измеряется

Что такое электрический заряд и в чем он измеряется?

Электричество нас окружает со всех сторон. Но когда-то это было не так. Потому что само слово произошло от греческого названия конкретного материала: «электрон», по-гречески, «янтарь». С ним проводили занятные эксперименты, похожие на фокусы. Люди всегда любили чудеса, а тут — всякие пылинки, ворсинки, ниточки, волосинки, начинали притягиваться к кусочку янтаря, стоило только его потереть лоскутком ткани. То есть вот у камушка этого золотистого никаких «ручек» маленьких нет, а ворсинки поднимать может.

Оглавление:

  • Накопление электричества и знаний о нём
  • Электрический заряд — закон сохранения заряда
  • Частица электричества — минимальный заряд
  • Направление тока. Кто у нас в заряде главный?
  1. Накопление электричества и знаний о нём
  2. Электрический заряд — закон сохранения заряда
  3. Частица электричества — минимальный заряд
  4. Направление тока. Кто у нас в заряде главный?

Накопление электричества и знаний о нём

Зримое накопление электричества происходило и когда надевали на себя поделки из янтаря: янтарные бусы, янтарные заколки для волос. Тут уж объяснений, кроме как явной магии, не могло быть никаких. Ведь, чтобы фокус удавался, перебирать бусы надо было исключительно чистыми сухими руками и сидя в чистой одежде. И чистые волосы, хорошо потёртые заколкой, дают нечто красивое и устрашающее: нимб торчащей кверху шевелюры. Да ещё потрескивание. Да ещё в темноте вспышки. Это же действие духа, требовательного и капризного, равно как и страшного и непонятного. Но настала пора, и электрические явления перестали быть территорией духа.

До открытия природы электричества, многие явления приписывались магии

Стали всё что угодно называть просто — «взаимодействие». Вот уж тогда и начали экспериментировать. Придумали специальную машину для этого (электрофорная машина), и банку для накопления электричества (лейденская банка). И прибор, который уже мог показывать некоторое «равно-больше-меньше» в отношении электричества (электроскоп). Осталось только всё это объяснить с помощью набиравшего силу языка формул.

Так, человечество додумалось до необходимости осознания наличия в природе некоего электрического заряда. Собственно, в названии никакого открытия не содержится. Электрический — значит, связанный с явлениями, изучение которых началось с магии янтаря. Слово «заряд» говорит только о неясных возможностях, заложенных в предмет, как ядро в пушку. Просто ясно, что электричество можно как-то добывать и как-то накапливать. И как-то ого должно измеряться. Равно как и обычное вещество, например, масло.

И, по аналогии с веществами, о мельчайших частицах которых (атомах), говорили уверенно ещё со времён Демокрита, и решили, что заряд должен непременно состоять из аналогичных очень маленьких «корпускул» — телец. Количество которых в большом заряженном теле и даст величину электрического заряда.

Электрический заряд — закон сохранения заряда

Разумеется, тогда и приблизительно не могли представить, сколько таких электрических «корпускул» может оказаться хотя бы в совсем небольшом заряженном теле. Но практическая единица электрического заряда была всё-таки нужна. И её стали придумывать. Кулон, в честь кого такую единицу потом назвали, видимо измерял величины зарядов с помощью металлических шариков, с которыми проводил опыты, но как-то относительно. Открыл свой знаменитый закон Кулона, в котором алгебраически записал, что сила, действующая между двумя, разнесёнными на расстояние R зарядами q1 и q2, пропорциональна их произведению и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.

Коэффициент k зависит от среды, в которой происходит взаимодействие, в вакууме же он равен единице.

Шарль Огюстен де Кулон, французский физик, открывший одноименный закон

Вероятно, после Кеплера и Ньютона такие вещи делать было не так уж и сложно. Расстояние измерить легко. Заряды он делил физически, прикасаясь одними шариками к другим. Получалось, что на двух одинаковых шариках, если один заряжен, а другой нет, при соприкосновении заряд делится пополам — разбегается по обоим шарикам. Так, он получал дробные значения исходной неизвестной величины q.

Читайте также:  Ток разряда li ion аккумуляторов

Изучая взаимодействие электрических зарядов, он делал замеры при разных расстояниях между шариками, фиксировал отклонения на своих крутильных весах, которое при этом получаются, когда заряженные шарики отталкиваются друг от друга. Видимо, его закон — то была чистая победа алгебры, так как единицы измерения заряда «кулон» сам Кулон не знал и знать просто не мог.

Другой победой было открытие того факта, что общее количество этой самой величины q в шариках, которые он сумел зарядить таким способом, оставалось всегда неизменным. За что открытый закон он и назвал законом сохранения заряда.

Q = q 1 + q 2 + q 3 + + q n

Надо отдать должное аккуратности и терпению учёного, а также отваге, с которой он провозгласил свои законы, не имея единицы количества того, что изучал.

Частица электричества — минимальный заряд

Это уже потом догадались, что элементарным, то есть самым маленьким, электрическим зарядом является электрон. Только не маленький кусочек янтаря, а невыразимо малая частица даже уже не вещества (почти), но которая обязательно есть в любом вещественном теле. И даже в каждом атоме любого вещества. И не только в атомах, но и вокруг них. И те:

  • что находятся в атомах, называются связанные электроны.
  • а которые вокруг — свободные электроны.

Связанными в атоме электроны бывают потому, что атомное ядро тоже содержит частицы заряда — протоны, и каждый протон обязательно притянет к себе электрон. Как раз по закону Кулона.

А заряд, который вы можем видеть или чувствовать получается в результате:

  • трения,
  • накопления,
  • химической реакции,
  • электромагнитной индукции,

составляют только свободные электроны, которые были выброшены из атомов по причине разных недоразумений:

  1. от удара другого атома (тепловая эмиссия)
  2. кванта ли света (фотоэмиссия) и по другим причинам

и бродящие внутри огромных макроскопических тел (например, волосинок).

Электрон - всегда отрицательно заряженная частица

Для электронов тела наших предметов действительно огромны. В одной единице заряда (кулоне) — электронов содержится примерно вот сколько: 624 150 912 514 351 000 с небольшим. Звучит это так: 624 квадриллиона 150 триллионов 912 миллиардов 514 миллионов 351 тысяча электронов в одном кулоне электрического заряда.

А кулон, это величина совсем простая и нам близкая. Кулон, это тот самый заряд, который протекает в одну секунду через сечение проводника, если ток в нём имеет силу в один ампер. То есть при 1 ампере за каждую секунду через поперечное сечение проволочки будут мелькать как раз вот эти 624 квадриллиона электронов.

Электроны настолько подвижны, и так быстро передвигаются внутри физических тел, что включают нам электрическую лампочку в одно мгновение, как только мы нажмём на выключатель. И поэтому электрическое взаимодействие у нас такое быстрое, что каждую секунду происходят события, называемые «рекомбинация». Сбежавший электрон находит атом, из которого электрон как раз убежал, и занимает в нём свободное место.

Количество таких событий в секунду тоже порядка, ну, все это себе уже представляют. И эти события непрерывно повторяются, когда электроны покидают атомы, потом в атомы возвращаются. Убегают возвращаются. Такова их жизнь, без этого они просто не могут существовать. И только благодаря этому существует электричество — та система, которая стала частью нашей жизни, нашего комфорта, нашего питания и сохранения.

Направление тока. Кто у нас в заряде главный?

Только так и остался один небольшой курьёз, который все знают, но никто из физиков так и не желает исправить.

Заряд может быть как положительным, так и отрицательным

Когда Кулон фокусничал со своими шариками, видели, что заряды бывают двух видов. И заряды одного вида отталкиваются друг от друга, а заряды разных притягиваются. Естественно было назвать одни из них положительными, а другие отрицательными. И предположить, что электрический ток течёт оттуда, где больше, туда, где меньше. То есть от плюса к минусу. Так оно и закрепилось в головах физиков на многие поколения.

Но обнаружить потом удалось первыми не электроны, а ионы. Это как раз те самые безутешные атомы, потерявшие свой электрон. В ядре которых имеется «лишний» протон, и потому они заряжены. Ну а как это обнаружили, так сразу и вздохнули, и сказали — вот он, заряд ты наш положительный. И за протоном так закрепилась слава положительно заряженной частицы.

А потом догадались, что атомы чаще всего бывают нейтральными потому, что электрический заряд ядра уравновешивается зарядом электронных оболочек, вращающихся вокруг ядра. То есть построили планетарную модель атома. И только тогда поняли, что атомы составляют всё (почти) вещество, его твёрдую кристаллическую решётку, или всю массу его жидкого тела. То есть протоны с нейтронами солидно сидят в ядрах атомов. А не на побегушках, как лёгкие и подвижные электроны. Следовательно, ток бежит не от плюса к минусу, а наоборот, от минуса к плюсу.

Источник

Что такое заряд? Виды зарядов и их взаимодействие

Электрический заряд является физической величиной, которая присуща некоторым элементарным частицам. Он проявляет себя через силы притяжения и отталкивания между заряженными телами посредством электромагнитного поля. Рассмотрим физические свойства заряда и виды зарядов.

Общее представление об электрическом заряде

Электричество в природе

Материя, которая имеет отличный от нуля электрический заряд, активно взаимодействует с электромагнитным полем и, в свою очередь, создает это поле. Взаимодействие заряженного тела с электромагнитным полем является одним из четырех типов силовых взаимодействий, которые известны человеку. Говоря о зарядах и видах зарядов, следует отметить, что с точки зрения стандартной модели электрический заряд отражает способность тела или частицы обмениваться носителями электромагнитного поля — фотонами — с другим заряженным телом или электромагнитным полем.

Одна из важных характеристик различных видов заряда — сохранение их суммы в изолированной системе. То есть общий заряд сохраняется сколь угодно длительное время независимо от типа взаимодействия, которое имеет место внутри системы.

Электрический заряд не является непрерывным. В экспериментах Роберта Милликена была продемонстрирована дискретная природа электрического заряда. Виды зарядов, существующие в природе, могут быть положительными или отрицательными.

Положительные и отрицательные заряды

Два вида электрических зарядов

Носителями двух видов зарядов являются протоны и электроны. По историческим причинам заряд электрона считается отрицательным, имеет значение -1 и обозначается -e. Протон имеет положительный заряд +1 и обозначается +e.

Если тело содержит больше протонов, чем электронов, то оно считается положительно заряженным. Ярким примером положительного вида заряда в природе является заряд стеклянной палочки после того, как ее потрут шелковой тканью. Соответственно, если тело содержит больше электронов, чем протонов, оно полагается отрицательно заряженным. Этот вид электрического заряда наблюдается на пластиковой линейке, если ее потереть шерстью.

Читайте также:  Питание в ноутбуке сила тока

Отметим, что заряд протона и электрона хоть и очень маленький, он не является элементарным. Обнаружены кварки — «кирпичики», образующие элементарные частицы, которые имеют заряды ±1/3 и ±2/3 относительно заряда электрона и протона.

Единица измерения

Виды зарядов, как положительные, так и отрицательные, в международной системе единиц СИ измеряются в кулонах. Заряд в 1 кулон — это очень большой заряд, который определяется как количество электронов, проходящих за 1 секунду через поперечное сечение проводника при силе тока в нем, равной 1 ампер. Одному кулону соответствует 6,242*10 18 свободных электронов. Это означает, что заряд одного электрона равен -1/(6,242*10 18 ) = — 1,602*10 -19 кулона. Это же значение, только со знаком плюс, характерно для другого вида зарядов в природе — положительного заряда протона.

Краткая история электрического заряда

Эксперименты Бенджамина Франклина

Еще со времен античной Греции известно, что если потереть кожу о янтарь, то он приобретает способность притягивать к себе легкие тела, например, солому или перья птиц. Это открытие принадлежит греческому философу Фалесу Милетскому, который жил 2500 лет назад.

В 1600 году английский медик Уильям Гилберт заметил, что многие материалы ведут себя подобно янтарю, если их потереть. Слово «янтарь» в древнегреческом языке звучит как «электрон». Гилберт стал использовать этот термин для всех подобных явлений. Позже появились другие термины, такие как «электричество» и «электрический заряд». В своих работах Гилберт также смог различить магнитные и электрические явления.

Открытие существования притяжения и отталкивания между электрически заряженными телами принадлежит физику Стефану Грею. Первым ученым, который предположил существование двух видов электрических зарядов, был французский химик и физик Шарль Франсуа Дюфе. Явление электрического заряда также подробно исследовал Бенджамин Франклин. В конце XVIII века французский физик Шарль Огюстен де Кулон открыл свой знаменитый закон.

Тем не менее все указанные наблюдения смогли оформиться в стройную теорию электричества только к середине XIX века. Здесь следует отметить важность работ Майкла Фарадея по изучению процессов электролиза и Джеймса Максвелла, который полностью описал электромагнитные феномены.

Современные представления о природе электричества и дискретном электрическом заряде обязаны своим существованием работам Джозефа Томсона, который открыл электрон, и Роберта Милликена, который измерил его заряд.

Магнитный момент и электрический заряд

Виды заряда выделил еще Бенджамин Франклин. Их два: положительный и отрицательный. Два заряда одинакового знака отталкиваются, а противоположного — притягиваются.

С появлением квантовой механики и физики элементарных частиц было показано, что помимо электрического заряда частицы обладают магнитным моментом, который носит название спина. Благодаря электрическим и магнитным свойствам элементарных частиц в природе существует электромагнитное поле.

Принцип сохранения электрического заряда

Линии напряженности электрического поля

В соответствии с результатами множества экспериментов, принцип сохранения электрического заряда гласит, что не существует ни какого-либо способа разрушения заряда, ни его создания из ничего, и что в любых электромагнитных процессах в изолированной системе полный электрический заряд сохраняется.

В результате процесса электризации общее количество протонов и электронов не изменяется, существует лишь разделение зарядов. Электрический заряд может появиться в какой-либо части системы, где раньше его не было, но общий заряд системы при этом все равно не изменится.

Плотность электрического заряда

Под плотностью заряда понимается его количество на единицу длины, площади или объема пространства. В связи с этим говорят о трех типах его плотности: линейной, поверхностной и объемной. Поскольку существует два вида заряда, плотность также может быть положительной и отрицательной.

Несмотря на то что электрический заряд квантован, то есть является дискретным, в ряде опытов и процессов количество его носителей настолько велико, что можно считать, что они распределены по телу равномерно. Это хорошее приближение позволяет получить ряд важных экспериментальных законов для электрических явлений.

Закон Кулона

Шарль Огюстен де Кулон

Исследуя на крутильных весах поведение двух точечных зарядов, то есть таких, для которых расстояние между ними значительно превышает их размеры, Шарль Кулон в 1785 году открыл закон взаимодействия между электрическими зарядами. Этот закон ученый сформулировал следующим образом:

Величина каждой силы, с которой взаимодействуют два точечных заряда в покое, прямо пропорциональна произведению их электрических зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния, разделяющего их. Силы взаимодействия направлены вдоль линии, которая соединяет заряженные тела.

Отметим, что закон Кулона от вида зарядов не зависит: изменение знака заряда лишь изменит направление действующей силы на противоположное, сохранив при этом ее модуль. Коэффициент пропорциональности в законе Кулона зависит от диэлектрической постоянной среды, в которой рассматриваются заряды.

Таким образом, формула для кулоновской силы записывается в следующем виде: F = k*q1*q2/r 2 , где q1, q2 — величины зарядов, r — расстояние между зарядами, k = 9*10 9 Н*м 2 /Кл 2 — коэффициент пропорциональности для вакуума.

Закон Кулона

Константа k через универсальную диэлектрическую постоянную ε и диэлектрическую постоянную материала ε выражается следующим образом: k = 1/(4*pi*ε*ε), здесь pi — число пи, а ε > 1 для любой среды.

Закон Кулона не справедлив в следующих случаях:

  • когда заряженные частицы начинают двигаться, и особенно когда их скорости приближаются к около световым скоростям;
  • когда расстояние между зарядами мало по сравнению с их геометрическими размерами.

Интересно отметить, что математический вид закона Кулона совпадает с таковым для закона всемирного тяготения, в котором роль электрического заряда играет масса тела.

Способы передачи электрического заряда и электризация

Демонстрация явления элекризации

Под электризацией понимается процесс, в результате которого электрически нейтральное тело приобретает отличный от нуля заряд. Этот процесс связан с перемещением элементарных носителей заряда, чаще всего электронов. Наэлектризовать тело можно с помощью следующих способов:

  • В результате контакта. Если заряженным телом прикоснуться к другому телу, состоящему из проводящего материала, то последнее приобретет электрический заряд.
  • Трение изолятора о другой материал.
  • Электрическая индукция. Суть этого явления заключается в перераспределении электрических зарядов внутри тела за счет воздействия электрического внешнего поля.
  • Явление фотоэффекта, при котором электроны вырываются из твердого тела за счет воздействия на него электромагнитного излучения.
  • Электролиз. Физико-химический процесс, который происходит в расплавах и растворах солей, кислот и щелочей.
  • Термоэлектрический эффект. В данном случае электризация возникает за счет градиентов температуры в теле.

Источник

Что такое электрический заряд и каковы его свойства?

Научное обоснование многих электрических явлений стало возможным благодаря опытам Кулона, на основании которых учёный ввёл термин «точечный электрический заряд». Исследуя природу электризации, французский физик с помощью изобретённых им крутильных весов, открыл закон взаимодействия точечных зарядов, известный нам как закон Кулона.

Впоследствии этот основополагающий закон помог учёным сформировать представление о строении атомов, объяснить природу электричества. Это способствовало созданию источников электрического тока, без которого современного уровня научно-технического прогресса не удалось бы достигнуть.

История

На существование электрических зарядов обращали внимание мыслители ещё до нашей эры. Однако они не способны были объяснить их природу и, тем более, описать взаимодействие.

Читайте также:  Классификация сварочных дуг по полярности постоянного тока

Прошло много веков до того момента, когда учёные вплотную занялись изучением электрических явлений, что и привело их к открытиям в данной области. В частности Уильям Гильберт ещё в XVI веке, не понимая природы электричества, называл наэлектризованными тела, которые притягивали другие вещества.

Несмотря на то, что эти исследователи понимали факт распределения зарядов, они не смогли объяснить природу явления. Вплотную приблизился к пониманию элементарных частиц как носителей зарядов учёный-физик Ш. Кулон. Придуманный им термин «точечный заряд» помог учёному понять взаимодействие элементарных частиц, что привело его к открытию закона.

На основании своего открытия, физик уже мог объяснить причину взаимодействия точечных заряженных тел (см. рис. 1).

Взаимодействие наэлектризованных тел

Рис. 1. Взаимодействие наэлектризованных тел

Дискретность (неделимость) элементарных заряженных частиц доказал Роберт Милликен. Учёный подтвердил, что заряженное тело содержит целое число элементарных частиц. Он пришёл к выводу, что делимость заряда имеет предел. Носителем элементарного заряда является электрон.

На рисунке 2 изображён опыт, подтверждающий делимость заряда. Опыт показывает, что деление кратно, это наталкивает на мысль о существовании элементарных частиц.

Делимость заряда

Рис. 2. Делимость заряда

Целостная картина сложилась после обнародования предложенной Резерфордом наглядной планетарной модели атома. Модель предполагает, что атом состоит из ядра, вокруг которого вращаются электроны. Это довольно упрощённая модель, но она уже объясняла многие электрические процессы, включая электризацию тел.

Современная интерпретация планетарной модели атома

Рис. 3. Современная интерпретация планетарной модели атома

Что такое электрический заряд?

Данный термин обозначает то, что заряженное тело способно создавать электрическое поле. В более широком значении, зарядом называют количество электричества – скалярную величину, являющейся источником электромагнитного поля, участвующую в процессах электромагнитных взаимодействий. Электрический заряд не может существовать без носителя.

Элементарными носителями отрицательных зарядов являются электроны. Антиподом электрона является позитрон – устойчивая античастица, равная по массе электрону, но со знаком «+». Существует ещё одна устойчивая, положительно заряженная элементарная частица – протон.

Частицы, заряжены дробными частями (кварки), могут существовать только в составе адронов, поэтому их не считают носителями.

Заряженные протоны, из которых состоит ядро атома, тесно связаны ядерными силами. Они не могут свободно вырываться с ядра атома. Поэтому в качестве свободных носителей положительного заряда принято считать ион – атом, с орбиты которого удалился электрон. Образование отрицательных ионов происходит за счёт присоединения к ним свободных электронов.

Заряженность нейтральных атомов и молекул нулевая, а число положительных и отрицательных ионов в ячейках кристаллических решёток скомпенсировано. Поэтому тела в обычных условиях электростатически нейтральны. Между нейтральными атомами взаимодействие отсутствует.

Свойства

Установлено, что неподвижный заряд q неразрывно связан с электрическим полем, представителем особого вида материи. Поле является материальным носителем взаимодействия между элементарными частицами. Это свойство поля проявляется даже в случае отсутствия вещества между взаимодействующими телами.

Электрическое поле действует с силой F на пробный заряд q′, расположенный в любой точке поля.

Формула напряженность электрополя

характеризует действие электричества и называется напряженностью поля. Линии, касательные к которым совпадают с вектором напряжённости, образуют линии напряжённости. Густота линий напряжённости определяет величину напряжённости.

Линии напряженности электростатического поля точечного заряда представляют собой лучи, выходящие из одной точки (для положительного) или входящего в точку (для отрицательного) (см. рис. 4).

Линии напряжённости поля

Рис. 4. Линии напряжённости поля

Электростатическое взаимодействие электромагнитных полей можно наблюдать на поведении заряженных шариков. Если эбонитовую или стеклянную палочку наэлектризовать трением и приблизить её к крохотным бузиновым шарикам, то мы увидим, как в результате силовых взаимодействий частицы отталкиваются (если они одинаковых знаков), либо притягиваются (разнознаковые).

Насыщение свободными носителями зарядов различных веществ не одинаково. Больше всего свободных электронов содержится в металлах. Поскольку заряженные электроны способны перемещаться под действием электрического поля, они являются основными транспортировщиками электрического тока в металлах. При этом движения электронов не приводит к каким-либо химическим изменениям.

Перенос зарядов в расплавленных солях или в растворах кислот осуществляется ионами. Они могут быть заряжены как положительно, так и отрицательно. В отличие от металлов, перераспределение зарядов в этих жидкостях сопровождается химическими реакциями. Поэтому растворы называют проводниками второго рода, то есть такими, которые под действием постоянных токов приводят к изменению химического состава вещества.

Таким образом, вещества условно подразделяют по типу проводимости:

  • проводники первого рода (металлы);
  • проводники второго рода (соляные, щелочные и кислотные растворы);
  • полупроводники (электронно-дырочная проводимость);
  • диэлектрики (вещества не способные проводить электричество из-за отсутствия свободных носителей).

Единица измерения

Единицей измерения заряда в международной системе СИ принято 1 кулон – совокупный заряд элементарных частиц, преодолевающих сечение проводника с током в 1 А, за единицу времени (секунду). Это огромная величина. Силу взаимодействия величиной в 1 Кл на расстоянии 1 м можно сравнить с действием гравитационного притяжения Землёй тела, массой 1 млн. т (9 × 10 9 Н).

Взаимодействие зарядов

Многочисленные опыты показали, что заряженные элементарные частицы взаимодействуют между собой. Носители одноименных зарядов отталкиваются, а носители разноименных зарядов – притягиваются (см.рис. 5).

Взаимодействие элементарных частиц

Рис. 5. Взаимодействие элементарных частиц

Силу взаимодействия точечных зарядов определяют по формуле, вытекающей из закона Кулона: F = (k*q1*q2)/r 2 , где q1 и q2 –две заряженные точки, расположенные на расстоянии r, а k – коэффициент, размерность которого зависит от выбранной системы измерений, а значение – от свойств окружающей среды. Закон Кулона – один из фундаментальных законов физики.

Закон Кулона

Рис. 6. Интерпретация закона кулона

Закон сохранения электрического заряда

Экспериментально установлено, что в замкнутой системе выполняется один из основополагающих законов физики – закон сохранения. В изолированной системе суммарный заряд не исчезает, а сохраняется во времени. Кроме того, он квантуется, то есть изменяется порциями, кратными заряду элементарной частицы.

Алгебраическая сумма зарядов – величина постоянная: q1 + q2 + … + qn = const (см. рис. 7).

Сохранение статического электричества

Рис. 7. Сохранение статического электричества

Закон сформулирован Б.Франклином (1747 г.) и подтверждён М. Фарадеем в 1843 г.

Способы измерения

Самый простой прибор для измерения – электроскоп. Он состоит из двух лепестков из фольги, расположенных на металлическом стержне. Конструкция накрыта стеклянным колпаком.

Если наэлектризованным телом прикоснуться к стержню, то лепестки наэлектризуются. Поскольку знаки на них одинаковые, то кулонова сила оттолкнёт их в разные стороны. По величине угла отклонения можно оценить величину статического электричества поступившего на лепестки.

Более сложный прибор – электрометр (схематическое изображение на рис. 8). Прибор состоит из стержня электрометра, стрелки и шкалы. Принцип действия аналогичен электроскопу (стрелка отталкивается от стержня). Благодаря наличию шкалы отклонение стрелки электрометра показывает количественную величину переданного электричества.

Схематическое изображение электрометра

Рис. 8. Схематическое изображение электрометра

Мы уже упоминали, что Кулон в своих опытах пользовался крутильными весами. Этот измерительный прибор позволил учёному открыть знаменитый закон, названный в честь его имени.

Источник

Какие бывают заряды электрического тока



III. Основы электродинамики

Тестирование онлайн

Электрический заряд

Нам приходится буквально отлеплять одну от другой свежевыстиранные и доставаемые из сушилки вещи, или когда мы никак не можем привести в порядок наэлектризованные и буквально встающие дыбом волосы. А кто не пробовал подвесить воздушный шарик к потолку, после трения его о голову? Подобное притяжение и отталкивание является проявлением статического электричества. Подобные действия называются электризацией.

Статическое электричество объясняется существованием в природе электрического заряда. Заряд является неотъемлемым свойством элементарных частиц. Заряд, который возникает на стекле при трении его о шелк, условно называют положительным, а заряд, возникающий на эбоните при трении о шерсть, — отрицательным.

Рассмотрим атом. Атом состоит из ядра и, летающих вокруг него, электронов (на рисунке синие частицы). Ядро состоит из протонов (красные) и нейтронов (черные).

Носителем отрицательного заряда является электрон, положительного — протон. Нейтрон — нейтральная частица, не имеет заряда.

Величина элементарного заряда — электрона или протона, имеет постоянное значение и равна

Весь атом нейтрально заряжен, если количество протонов соответствует электронам. Что произойдет, если один электрон оторвется и улетит? У атома станет на один протон больше, то есть положительных частиц больше, чем отрицательных. Такой атом называют положительным ионом. А если присоединится один электрон лишний — получим отрицательный ион. Электроны, оторвавшись, могут не присоединятся, а некоторое время свободно перемещаться, создавая отрицательный заряд. Таким образом, в веществе свободными носителями заряда являются электроны, положительные ионы и отрицательные ионы.

Для того, чтобы имелся свободный протон, необходимо, чтобы разрушилось ядро, а это означает разрушение атома целиком. Такие способы получения электрического заряды мы рассматривать не будем.

Тело становится заряженным, когда оно содержит избыток одних или иных заряженных частиц (электронов, положительных или отрицательных ионов).

Величина заряда тела кратна элементарному заряду. Например, если в теле 25 свободных электронов, а остальные атомы являются нейтральными, то тело заряжено отрицательно и его заряд составляет

Одноименные заряды (два положительных или два отрицательных) отталкиваются, разноименные (положительный и отрицательный) — притягиваются

Точечный заряд — это материальная точка, которая имеет электрический заряд.

Закон сохранения электрического заряда

Замкнутая система тел в электричестве — это такая система тел, когда между внешними телами нет обмена электрическими зарядами.

Читайте также:  Ток разряда li ion аккумуляторов

Алгебраическая сумма электрических зарядов тел или частиц остается постоянной при любых процессах, происходящих в электрически замкнутой системе.

Источник

Какие бывают заряды электрического тока

Многие физические явления, наблюдаемые в природе и окружающей нас жизни, не могут быть объяснены только на основе законов механики, молекулярно-кинетической теории и термодинамики. В этих явлениях проявляются силы, действующие между телами на расстоянии, причем эти силы не зависят от масс взаимодействующих тел и, следовательно, не являются гравитационными. Эти силы называют электромагнитными силами .

О существовании электромагнитных сил знали еще древние греки. Но систематическое, количественное изучение физических явлений, в которых проявляется электромагнитное взаимодействие тел, началось только в конце XVIII века. Трудами многих ученых в XIX веке завершилось создание стройной науки, изучающей электрические и магнитные явления. Эта наука, которая является одним из важнейших разделов физики, получила название электродинамики .

Основными объектами изучения в электродинамике являются электрические и магнитные поля, создаваемые электрическими зарядами и токами.

Электрическое поле


1.1. Электрический заряд. Закон Кулона

Подобно понятию гравитационной массы тела в механике Ньютона, понятие заряда в электродинамике является первичным, основным понятием.

Электрический заряд – это физическая величина, характеризующая свойство частиц или тел вступать в электромагнитные силовые взаимодействия.

Электрический заряд обычно обозначается буквами или .

Совокупность всех известных экспериментальных фактов позволяет сделать следующие выводы:

Существует два рода электрических зарядов, условно названных положительными и отрицательными.

Заряды могут передаваться (например, при непосредственном контакте) от одного тела к другому. В отличие от массы тела электрический заряд не является неотъемлемой характеристикой данного тела. Одно и то же тело в разных условиях может иметь разный заряд.

Одноименные заряды отталкиваются, разноименные – притягиваются. В этом также проявляется принципиальное отличие электромагнитных сил от гравитационных. Гравитационные силы всегда являются силами притяжения.

Одним из фундаментальных законов природы является экспериментально установленный закон сохранения электрического заряда .

Закон сохранения электрического заряда утверждает, что в замкнутой системе тел не могут наблюдаться процессы рождения или исчезновения зарядов только одного знака.

Читайте также:  Расчет мощности выпрямителя постоянного тока 1

С современной точки зрения, носителями зарядов являются элементарные частицы. Все обычные тела состоят из атомов, в состав которых входят положительно заряженные протоны, отрицательно заряженные электроны и нейтральные частицы – нейтроны. Протоны и нейтроны входят в состав атомных ядер, электроны образуют электронную оболочку атомов. Электрические заряды протона и электрона по модулю в точности одинаковы и равны элементарному заряду .

В нейтральном атоме число протонов в ядре равно числу электронов в оболочке. Это число называется атомным номером . Атом данного вещества может потерять один или несколько электронов или приобрести лишний электрон. В этих случаях нейтральный атом превращается в положительно или отрицательно заряженный ион.

Заряд может передаваться от одного тела к другому только порциями, содержащими целое число элементарных зарядов. Таким образом, электрический заряд тела – дискретная величина:

Физические величины, которые могут принимать только дискретный ряд значений, называются квантованными . Элементарный заряд является квантом (наименьшей порцией) электрического заряда. Следует отметить, что в современной физике элементарных частиц предполагается существование так называемых кварков – частиц с дробным зарядом и Однако, в свободном состоянии кварки до сих пор наблюдать не удалось.

В обычных лабораторных опытах для обнаружения и измерения электрических зарядов используется электрометр – прибор, состоящий из металлического стержня и стрелки, которая может вращаться вокруг горизонтальной оси (рис. 1.1.1). Стержень со стрелкой изолирован от металлического корпуса. При соприкосновении заряженного тела со стержнем электрометра, электрические заряды одного знака распределяются по стержню и стрелке. Силы электрического отталкивания вызывают поворот стрелки на некоторый угол, по которому можно судить о заряде, переданном стержню электрометра.

Электрометр является достаточно грубым прибором; он не позволяет исследовать силы взаимодействия зарядов. Впервые закон взаимодействия неподвижных зарядов был открыт французским физиком Ш. Кулоном в 1785 г. В своих опытах Кулон измерял силы притяжения и отталкивания заряженных шариков с помощью сконструированного им прибора – крутильных весов (рис. 1.1.2), отличавшихся чрезвычайно высокой чувствительностью. Так, например, коромысло весов поворачивалось на 1° под действием силы порядка .

Идея измерений основывалась на блестящей догадке Кулона о том, что если заряженный шарик привести в контакт с точно таким же незаряженным, то заряд первого разделится между ними поровну. Таким образом, был указан способ изменять заряд шарика в два, три и т. д. раз. В опытах Кулона измерялось взаимодействие между шариками, размеры которых много меньше расстояния между ними. Такие заряженные тела принято называть точечными зарядами .

Читайте также:  Пмп при поражении электрическим током алгоритм

Точечным зарядом называют заряженное тело, размерами которого в условиях данной задачи можно пренебречь.

На основании многочисленных опытов Кулон установил следующий закон:

Силы взаимодействия подчиняются третьему закону Ньютона: Они являются силами отталкивания при одинаковых знаках зарядов и силами притяжения при разных знаках (рис. 1.1.3). Взаимодействие неподвижных электрических зарядов называют электростатическим или кулоновским взаимодействием. Раздел электродинамики, изучающий кулоновское взаимодействие, называют электростатикой .

Закон Кулона справедлив для точечных заряженных тел. Практически закон Кулона хорошо выполняется, если размеры заряженных тел много меньше расстояния между ними.

Коэффициент пропорциональности в законе Кулона зависит от выбора системы единиц. В Международной системе СИ за единицу заряда принят кулон (Кл).

Кулон – это заряд, проходящий за 1 с через поперечное сечение проводника при силе тока 1 А. Единица силы тока (ампер) в СИ является наряду с единицами длины, времени и массы основной единицей измерения .

В системе СИ элементарный заряд равен:

Опыт показывает, что силы кулоновского взаимодействия подчиняются принципу суперпозиции.

Если заряженное тело взаимодействует одновременно с несколькими заряженными телами, то результирующая сила, действующая на данное тело, равна векторной сумме сил, действующих на это тело со стороны всех других заряженных тел.

Рис. 1.1.4 поясняет принцип суперпозиции на примере электростатического взаимодействия трех заряженных тел.

Принцип суперпозиции является фундаментальным законом природы. Однако, его применение требует определенной осторожности, в том случае, когда речь идет о взаимодействии заряженных тел конечных размеров (например, двух проводящих заряженных шаров 1 и 2). Если к системе из двух заряженных шаров поднсти третий заряженный шар, то взаимодействие между 1 и 2 изменится из-за перераспределения зарядов .

Принцип суперпозиции утверждает, что при заданном (фиксированном) распределении зарядов на всех телах силы электростатического взаимодействия между любыми двумя телами не зависят от наличия других заряженных тел.

Источник

Adblock
detector