III. Основы электродинамики
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
Электрический заряд
Электрический заряд — чтобы вникнуть в это понятие, необходимо немного углубиться в химию и физику. Итак: абсолютно все окружающие нас предметы состоят из очень мелких частиц. Называются эти частицы — атомами. Но они не самые мелкие ибо в свою очередь состоят из ядер и электронов. Атом, относительно понятия заряд, является нейтральной, т.е. незаряженной частицей. А вот его составляющие уже являются частицами электрически заряженными. Ядро имеет положительный заряд, а электрон — отрицательный. Различные химические элементы имеют различное количество ядер и электронов. По мере возрастания порядкового номера данного химического элемента в таблице Д.И.Менделеева возрастает и его атомный вес. С возрастанием веса химические и физические свойства элемента изменяются и количество заряженных частиц внутри элемента тоже возрастает. Каждый элемент имеет свои свойства, которые зависят от количества и расположения заряженных частиц внутри атома.
Атомы — электрически нейтральные частицы, ибо общий заряд равен суммарному заряду электронов, окружающих ядро и самого ядра. Но существуют условия, при которых атом может присоединить к себе или отдать другому атому один или больше электронов. А вот атом, у которого недостаёт или имеется избыток электронов, уже является, соответственно, положительно заряженной частицей (положительно заряженным ионом) или отрицательно заряженной частицей (отрицательным ионом). И можно сказать, что в таком теле будут преобладать положительные или отрицательные заряды.
То количество электронов, которое имеется с избытком или недостаёт и определяет величину электрического заряда. Единицей заряда является Кулон, представляющий собой количество электричества, содержащее 6.3 х 10 18 электронов.
Элементарный заряд и частица электрон
Электрический заряд тела можно делить на части до тех пор, пока не получим самый маленький – элементарный заряд. Он равен заряду частицы, названной электроном.
Электрический заряд можно делить
Если в природе существуют заряженные частицы, значит, заряд, полученный телом при электризации, состоит из суммы зарядов этих частиц.
Обнаружить простейший и самый маленький заряд в природе, можно с помощью деления общего заряда тела на части.
Метод половинного деления
Этот метод заключается в делении какой-либо величины на две равные части. После этого, выбирают одну из частей и опять делят на две равные части.
Каждый раз выбирают половину и делят ее пополам, до тех пор, пока не получат самую маленькую часть, заряда которую разделить не получится.
Этот метод можно продемонстрировать на опыте.
Демонстрация деления заряда с помощью электрометров
Для проведения эксперимента потребуется два электрометра. Зарядим один из электрометров, а второй оставим незаряженным (рис. 1).
Рис. 1. Один электрометр заряжен, второй — нет
После соединим электрометры металлическим предметом – линейкой, проволокой и т. п. Мы увидим, что первоначальный заряд распределится между двумя электрометрами поровну (рис. 2).
Рис. 2. Первоначальный заряд разделился на две равные части между двумя электрометрами
Избыточный заряд между телами распределяется поровну.
Теперь уберем заряд одного из электрометров. А половинный заряд, оставшийся на втором приборе, опять разделим пополам, соединив измерительные приборы – заряженный и незаряженный, металлическим предметом. Этот остаточный заряд распределится между приборами поровну.
Проделав такой опыт некоторое количество раз, получим на одном из электрометров малый остаточный заряд, который разделить на части не получится. Такой заряд называют элементарным.
Опыты Иоффе и Милликена
На самом деле, чувствительности школьного электрометра не хватит, чтобы определить элементарный заряд. Физики определили величину элементарного заряда несколько другим способом.
Опыты по определению элементарного заряда проводили ученые Абрам Иоффе (СССР) и Роберт Милликен.
Они электризовали маленькие крупинки цинка и измеряли их заряд. От опыта к опыту заряд крупинок отличался в целое число раз.
Это натолкнуло на мысль, что в природе существует частица, обладающая таким самым маленьким — элементарным зарядом, который не делится на части.
Заряд и масса электрона
Элементарный заряд – это очень малый заряд. Таким зарядом обладает элементарная частица — электрон. Равный ему заряд, но имеющий противоположный знак, имеет элементарная частица протон. Заряд электрона отрицательный, а заряд протона – положительный.
\[ \large \boxed =16 \cdot 10^ \left( \text \right) > \]
Заряд – это одно из главных свойств электрона. Отделить от электрона его заряд не получится.
\[ \large \boxed =91 \cdot 10^ \left( \text \right) > \]
Это очень маленькая масса, она почти в 2000 раз меньше массы самого легкого и маленького атома – атома водорода.
Единица измерения заряда
Электрический заряд измеряют в Кулонах в честь французского физика Шарля Огюстена Кулона. Он изучал электричество и механику, жил с 1736 по 1806 год. В те времена, когда Кулон проводил свои опыты, связанные с электричеством, еще не существовало единиц для измерения заряда.
Заряд в системе СИ
Примечание: Как правило, для измерения какой-либо физической величины можно выбрать любую удобную единицу. Именно так ранее и поступали. Поэтому, например, для измерения длин применялись такие единицы, как аршин, локоть, сажень и т. п.
Со временем в различных странах накопилось большое количество различных единиц измерений для одних и тех же величин. При переводе одних единиц в другие возникали разногласия и путаница. Чтобы исключить разногласия, ввели единую международную систему единиц, сокращенно СИ. В современной физике эта система измерения величин получила широкое применение.
Как единицу для измерения заряда логично было бы выбрать заряд электрона. Но заряд электрона – это очень малая величина. И для зарядов, с которыми мы сталкиваемся при решении большинства технических задач, такой малый заряд в качестве единицы измерения выбирать неудобно.
В системе СИ нет эталона для единицы измерения заряда. И заряд выражается через другие величины, для которых эталон есть.
Основной единицей для измерения электрических величин в СИ служит Ампер. Это единица силы тока (ссылка). Численно эталон 1-го Ампера определяют по магнитному взаимодействию двух токов.
Единица заряда – 1 Кулон, связана с одним Ампером.
\[\large \boxed < 1 \text= 1 A \cdot 1 c > \]
Если ток в проводнике равен 1 Амперу, то за 1 секунду через его поперечное сечение проходит заряд, равный 1 Кулону.
Кратность любого заряда элементарному заряду
Заряд, который мы сообщаем телу, всегда кратен элементарному заряду:
\(q \left( \text\right) \) – заряд тела;
\( e \left( \text\right) \) – элементарный заряд;
\( N \left( \text\right) \) – количество элементарных зарядов, это целое число;
Заряд можно распределить по телу, для описания распределенных зарядов используют термин — плотность заряда.
Любой заряд в пространстве вокруг себя создает электрическое поле.
Один кулон — много ли это
Заряд в 1 Кулон – это очень большой заряд. Если шар, диаметром в 110 метров, расположить в сухом воздухе достаточно далеко от других тел (рис. 3), тогда этот шар сможет содержать избыточный заряд в 1 Кулон (Кл).
Рис. 3. Шар, имеющий диаметр 110 метров, сможет содержать заряд, равный одному Кулону
Однако, не следует думать, что такие большие заряды не используются. К примеру, через провод работающего бытового электрического чайника мощностью 1000 Ватт каждую секунду проходит заряд в 4,55 Кл.
какая атомная частица имеет положительный заряд и большую массу
Протон (ядро атома водорода) обладает положительным зарядом +е, равным заряду электрона и имеет массу в 1836 раз больше массы электрона.
Похожие вопросы
Ваш браузер устарел
Мы постоянно добавляем новый функционал в основной интерфейс проекта. К сожалению, старые браузеры не в состоянии качественно работать с современными программными продуктами. Для корректной работы используйте последние версии браузеров Chrome, Mozilla Firefox, Opera, Microsoft Edge или установите браузер Atom.