Большая энциклопедия нефти и газа. Закон сохранения электрического заряда. Отрицательный и положительный электрический заряд. Электрон и протон
Все тела состоят из неделимых мельчайших частиц, называемых элементарными. Они имеют массу и способны притягиваться друг к другу. По закону всемирного тяготения, при увеличении расстояния между частицами относительно медленно убывает (она обратно пропорциональна квадрату расстояния). Сила взаимодействия частиц превосходит Это взаимодействие и называют «электрический заряд», а частицы - заряженными.
Взаимодействие частиц называют электромагнитным. Оно свойственно большинству элементарных частиц. Если же его между ними нет, то говорят об отсутствии заряда.
Электрический заряд определяет степень интенсивности Он является важнейшей характеристикой элементарных частиц, которая определяет их поведение. Обозначается буквами "q" либо "Q".
Макроскопического эталона единицы электрического заряда не существует, поскольку создать его не представляется возможным из-за его неизбежной утечки. В атомной физике за единицу принимают заряд электрона. В Международной системе единиц она устанавливается с помощью Заряд в 1 кулон (1 Кл) обозначает, что он проходит при силе тока в 1 А за 1 с через Это довольно высокий заряд. Небольшому телу сообщить его невозможно. Но в нейтральном проводнике привести в движение заряд в 1 Кл вполне реально.
Электрический заряд является скалярной физической величиной, которая характеризует способность частиц или тел вступать в электромагнитное силовое взаимодействие между собой.
При изучении взаимодействия важным является представление о точечном заряде. Он являет собой заряженное тело, размеры которого гораздо меньше расстояния от него до точки наблюдения или других заряженных частиц. При взаимодействии двух точечных зарядов расстояние между ними является гораздо большим, чем их линейные размеры.
Частицы обладают противоположными зарядами: протоны - положительным, электроны - отрицательным. Эти знаки (плюс и минус) отражают способность частиц притягиваться (при разных знаках) и отталкиваться (при одном). В природе положительные показатели и отрицательные скомпенсированы между собой.
Одинаков по модулю, независимо от того, положительный ли он, как у протона, или отрицательный, как у электрона. Минимальный заряд называется элементарным. Им обладают все заряженные частицы. Отделить часть заряда частицы невозможно. Минимальное значение определяется экспериментально.
Электрический заряд и его свойства можно измерять с помощью электрометра. Он состоит из вращающейся вокруг горизонтальной оси стрелки и металлического стержня. Если к стрежню прикоснуться положительно заряженной палочкой, то стрелка отклонится на определенный угол. Это объясняется распределением заряда по стрелке и стержню. Поворот стрелки обусловлен действием силы отталкивания. При увеличении заряда возрастает и угол отклонения от вертикали. То есть он показывает значение заряда, который передается стрежню электрометра.
Выделяют следующие свойства электрического заряда. Они могут быть положительными и отрицательными (выбор названий случаен), которые притягиваются и отталкиваются. Заряды способны передаваться при контакте от одних тел другим. Одно тело в разных условиях может обладать разными зарядами. Важным свойством является дискретность, что означает существование наименьшего, универсального заряда, которому кратны аналогичные показатели любых тел. Внутри замкнутой системы алгебраическая сумма всех зарядов остается постоянной. В природе заряды одного знака не возникают и не исчезают одновременно.
Происходящие в природе физические процессы не всегда объясняются действием законов молекулярно-кинетической теории, механики либо термодинамики. Существуют еще электромагнитные силы, которые действуют на расстоянии и не зависят от массы тела.
Их проявления впервые описаны в трудах древних ученых Греции, когда они янтарем, потертым о шерсть, притягивали легкие, маленькие частицы отдельных веществ.
Исторический вклад ученых в развитие электродинамики
Опыты с янтарем подробно изучались английским исследователем Уильямом Гильбертом . В последних годах XVI века он сделал отчет о своей работе, а предметы, способные притягивать другие тела на расстоянии, обозначил термином «наэлектризованные».
Французским физиком Шарлем Дюфе было определено существование зарядов с противоположными знаками: одни образовывались при трении стеклянных предметов о шелковую ткань, а другие - смол по шерсти. Он так и назвал их: стеклянные и смоляные. После завершения исследований Бенджамина Франклина было введено понятие отрицательных и положительных зарядов.
Шарль Кулон реализовал возможность измерения силы зарядов конструкцией крутильных весов собственного изобретения.
Роберт Милликен на основе серии проведенных опытов установил дискретный характер электрических зарядов любого вещества, доказав, что они состоят из определенного количества элементарных частиц. (Не путать с другим понятием этого термина - дробности, прерывистости.)
Труды перечисленных ученых послужили фундаментом современных знаний о процессах и явлениях, происходящих в электрических и магнитных полях, создаваемых электрическими зарядами и их движением, изучаемых электродинамикой.
Определение зарядов и принципы их взаимодействия
Электрическим зарядом характеризуют свойства веществ, обеспечивающих им возможность создавать электрические поля и взаимодействовать в электромагнитных процессах. Еще его называют количеством электричества и определяют как физическую скалярную величину. Для обозначения заряда приняты символы «q» или «Q», а при измерениях используют единицу «Кулон», названную в честь французского ученого, разработавшего уникальную методику.
Им был создан прибор, в корпусе которого использовались подвешенные на тонкой нити из кварца шарики. Они ориентировались в пространстве определенным образом, а их положение регистрировалось относительно проградуированной шкалы с равными делениями.
Через специальное отверстие в крышке к этим шарикам подводился другой шар, обладающий дополнительным зарядом. Возникающие силы взаимодействия заставляли отклоняться шарики, поворачивали их коромысло. Величина разницы отсчетов на шкале до ввода заряда и после него позволяла оценивать количество электричества в испытуемых образцах.
Заряд в 1 кулон характеризуется в системе СИ силой тока в 1 ампер, проходящей через поперечное сечение проводника за время, равное 1 секунде.
Все электрические заряды современная электродинамика разделяет на:
положительные;
отрицательные.
При взаимодействии их между собой у них возникают силы, направление которых зависит от существующей полярности.
Одинакового типа заряды, положительные либо отрицательные, всегда отталкиваются в противоположные стороны, стремясь, как можно дальше удалиться друг от друга. А у зарядов противоположных знаков действуют силы, стремящиеся сблизить их и соединить в одно целое.
Принцип суперпозиции
Когда в определенном объеме находится несколько зарядов, то для них действует принцип суперпозиции.
Его смысл в том, что каждый заряд определенным образом по рассмотренному выше способу взаимодействует со всеми остальными, притягиваясь к разноименным и отталкиваясь от однотипных. К примеру, на положительный заряд q1 действует сила притяжения F31 к отрицательному заряду q3 и отталкивания F21 - от q2.
Результирующая сила F1, действующая на q1, определяется геометрическим сложением векторов F31 и F21. (F1= F31+ F21).
Таким же методом определяются действующие результирующие силы F2 и F3 на заряды q2 и q3 соответственно.
Посредством принципа суперпозиции сделан вывод о том, что при определенном количестве зарядов в замкнутой системе между всеми ее телами действуют установившиеся электростатические силы, а потенциал в любой определенной точке этого пространства равен сумме потенциалов от всех отдельно приложенных зарядов.
Действие этих законов подтверждают созданные приборы электроскоп
и электрометр
, имеющие общий принцип работы.
Электроскоп состоит из двух одинаковых лепестков тонкой фольги, подвешенных в изолированном пространстве на токопроводящей нити, присоединенной к металлическому шарику. В обычном состоянии на этот шарик заряды не действуют, поэтому лепестки свободно висят в пространстве внутри колбы прибора.
Как можно передавать заряд между телами
Если к шарику электроскопа поднести заряженное тело, например, палочку, то заряд пройдет через шарик по токопроводящей нити к лепесткам. Они получат одноименный заряд и станут отодвигаться друг от друга на угол, пропорциональный приложенному количеству электричества.
У электрометра такое же принципиальное устройство, но он имеет небольшие отличия: один лепесток закреплен стационарно, а второй отходит от него и снабжен стрелкой, которая позволяет снимать отсчет с проградуированной шкалы.
Для переноса заряда от удаленного стационарно закрепленного и заряженного тела на электрометр можно воспользоваться промежуточными носителями.
Измерения, сделанные электрометром, не обладают высоким классом точности и на их основе сложно анализировать силы, действующие между зарядами. Для их исследования больше приспособлены крутильные весы Кулона. У них использованы шарики с диаметрами, значительно меньшими, чем их удаление друг от друга. Они обладают свойствами точечных зарядов - заряженных тел, размеры которых не влияют на точность прибора.
Измерения, выполненные Кулоном, подтвердили его догадку о том, что точечный заряд передается от заряженного тела к такому же по свойствам и массе, но незаряженному таким образом, чтобы равномерно распределиться между ними, уменьшаясь на источнике в 2 раза. Таким способом удалось уменьшать величину заряда в два, три и иное количество раз.
Силы, существующие между неподвижными электрическими зарядами, называют кулоновским либо статическим взаимодействием. Их изучает электростатика, являющаяся одним из разделов электродинамики.
Виды носителей электрических зарядов
Современная наука считает самой маленькой отрицательно заряженной частицей электрон , а положительной - позитрон . Они имеют одинаковую массу 9,1·10-31 кг. Элементарная частица протон обладает всего одним положительным зарядом и массой 1,7·10-27 кг. В природе количество положительных и отрицательных зарядов уравновешено.
В металлах движение электронов создает , а в полупроводниках носителями его зарядов являются электроны и дырки.
В газах ток образуется передвижением ионов - заряженных неэлементарных частиц (атомов или молекул) с положительными зарядами, называемыми катионами либо отрицательными - анионами.
Ионы образуются из нейтральных частиц.
Положительный заряд создается у частицы, потерявшей электрон под действием мощного электрического разряда, светового или радиоактивного облучения, потока ветра, движения масс воды или ряда других причин.
Отрицательные ионы образуются из нейтральных частиц, дополнительно получивших электрон.
Использование ионизации в медицинских целях и быту
Исследователи давно заметили способность отрицательных ионов воздействовать на организм человека, улучшать потребление кислорода воздуха, быстрее доставлять его к тканям и клеткам, ускорять процесс окисления серотонина. Это все в комплексе значительно повышает иммунитет, улучшает настроение, снимает боли.
Первый ионизатор, используемый для лечения людей, получил название люстры Чижевского , в честь советского ученого, который создал прибор, благотворно влияющий на здоровье человека.
В современных электроприборах для работы в бытовых условиях можно встретить встроенные ионизаторы в пылесосы, увлажнители воздуха, фены, сушилки…
Специальные ионизаторы воздуха очищают его состав, уменьшают количество пыли и вредных примесей.
Ионизаторы воды способны снижать количество химических реагентов в ее составе. Их используют для очистки бассейнов и водоемов, насыщая воду ионами меди или серебра, которые уменьшают рост водорослей, уничтожают вирусы и бактерии.
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 q или Q .
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 .
В изолированной системе алгебраическая сумма зарядов всех тел остается постоянной:
|
q 1 + q 2 + q 3 + ... +q n = const. |
Закон сохранения электрического заряда утверждает, что в замкнутой системе тел не могут наблюдаться процессы рождения или исчезновения зарядов только одного знака.
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 e .
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 e 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 ( или электроскоп) - 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 Шарлем 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 10 -9 Н.
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 .
Точечным зарядом называют заряженное тело, размерами которого в условиях данной задачи можно пренебречь.
На основании многочисленных опытов Кулон установил следующий закон:
Силы взаимодействия неподвижных зарядов прямо пропорциональны произведению модулей зарядов и обратно пропорциональны квадрату расстояния между ними:
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 k 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 .
Коэффициент k в системе СИ обычно записывают в виде:
Где 
- электрическая постоянная
.
В системе СИ элементарный заряд e 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.
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