Какие свойства электрических зарядов вы знаете

§ 16. Электрический заряд. Закон сохранения электрического заряда

Рис.

Электрический заряд. О том, что янтарь, потёртый о шерсть, приобретает свойство притягивать лёгкие предметы (рис. 94), знали ещё древние греки. Однако только в 1600 г. лейб-медик королевы Англии доктор медицины Уильям Гильберт в книге «О магните, магнитных телах и большом магните — Земле» дал первое систематизированное описание свойств электрических и магнитных материалов. Гильберт продемонстрировал, что кроме янтаря свойством притягивать лёгкие предметы обладают после натирания алмаз, сера, фарфор и многие другие тела. Он назвал их «электрическими» (ελεκτρον по-гречески — янтарь). Теперь мы говорим, что такие тела электрически заряжены, т. е. им сообщён электрический заряд.

Электрический заряд — физическая скалярная величина, характеризующая интенсивность электромагнитного взаимодействия тел (частиц).

Электрический заряд является источником электромагнитного поля, связанного с материальным носителем (телом или частицей). Электрический заряд, как и масса, не существует без тела или частицы.

Электрическим зарядам присущи следующие фундаментальные свойства:

1) электрические заряды существуют в двух видах, которые названы положительными и отрицательными (существование двух видов зарядов установил Шарль Дюфэ ( 1698‒1739 ) в 1733 г., а в 1747 г. Бенджамин Франклин ( 1706‒1790 ) приписал им знаки «+» и «‒»);

2) электрический заряд аддитивен, т. е. заряд любой системы тел (частиц) равен сумме зарядов тел (частиц), входящих в систему;

3) в любой электрически изолированной системе алгебраическая сумма зарядов тел (частиц) не изменяется;

4) электрический заряд дискретен, т. е. электрический заряд любого тела (частицы) кратен элементарному электрическому заряду;

5) значение электрического заряда тела (частицы) не зависит от выбора системы отсчёта, следовательно, не зависит от того, движется оно (она) или покоится;

6) электрический заряд тела (частицы) не зависит ни от его (её) механического состояния, ни от каких-либо действующих на него (неё) сил.

Рис.

Существуют два вида электрических зарядов, которые условились называть положительными и отрицательными. Причём при взаимодействии одноимённо заряженные тела (частицы) отталкивают друг друга (рис. 95, а), а разноимённо заряженные — притягивают друг друга (рис. 95, б).

Заряды разных тел (частиц) могут отличаться не только знаками, но и числовыми значениями.

За единицу электрического заряда в СИ принят кулон (Кл). Эта единица названа в честь Шарля Кулона (1736–1806). 1 Кл — величина электрического заряда, проходящего через поперечное сечение проводника за промежуток времени 1 с при силе постоянного тока 1 А.

Интересно знать

Один кулон — очень большая величина заряда. Расчёты показывают, что на удалённом от всех остальных тел металлическом шаре, находящемся в сухом воздухе, может находиться избыточный заряд 1 Кл, если его диаметр не менее 110 м. Вместе с тем при включении автомобильных фар сила тока в цепи приблизительно 10 А, т. е. ежесекундно через поперечное сечение проводников, подсоединённых к фарам, проходит заряд приблизительно 10 Кл.

Элементарный заряд. На рубеже XIX и XX столетий учёные экспериментально установили, что в природе существует электрический заряд, модуль которого минимален. Этот заряд назвали элементарным. Вы знаете, что ядра всех атомов содержат протоны, которые являются носителями положительного элементарного заряда, а сами атомы содержат электроны, являющиеся носителями отрицательного элементарного заряда. Учёные с точностью порядка ~10 –20 установили равенство модулей зарядов электрона и протона.

Модуль элементарного электрического заряда е = 1,6022 · 10 –19 Кл. Обычно ограничиваются двумя значащими цифрами е = 1,6 · 10 –19 Кл.

Электроны, протоны и нейтроны входят в состав всех тел, так как из них состоят атомы и молекулы любого вещества * . В электрически нейтральном теле алгебраическая сумма зарядов всех частиц равна нулю. Если каким-нибудь образом создать в таком теле избыток зарядов одного знака, то оно окажется заряженным. Заряд тела q образуется совокупностью элементарных зарядов и всегда кратен элементарному заряду е (электрический заряд дискретен):

где N_р и N_е — числа протонов и электронов в данном теле.

Например, тело, заряд которого q₁ = 5е, отличается от нейтрального тела недостатком пяти электронов, а тело, заряд которого q₂ = –13 е, — избытком тринадцати электронов.

От теории к практике

Мы отмечали, что 1 Кл — это очень большой заряд. Какому избытку (недостатку) электронов в теле соответствует этот заряд?

Из истории физики

В 1881 г. немецкий физик Герман Гельмгольц ( 1821‒1894 ) чётко сформулировал идею Фарадея об атомности электричества: «Если мы допускаем существование химических атомов, то мы принуждены заключить отсюда далее, что также и электричество, как положительное, так и отрицательное, разделяется на определённые элементарные количества, которые играют роль атомов электричества».

Интересно знать

В одном моле вещества (~6 · 10 23 молекул) заряженного тела обычно содержится относительно небольшое количество электронов (до ~1 · 10 10 ), избыточных или недостающих по сравнению с числом протонов. так как масса электрона 9,1 · 10 –31 кг, то это вызывает изменение массы одного моля заряженного тела не более чем на 9 · 10 –31 кг · 1 · 10 10 = 9 · 10 –21 кг по сравнению с массой нейтрального тела. такое изменение массы, конечно, можно не учитывать.

* Исключением является водород, у которого ядра атомов — протоны. ↑

Рис.

Закон сохранения электрического заряда. Вы знаете, что при трении соприкасающиеся тела электризуются, при этом модули противоположных по знаку зарядов, возникших на телах, равны. Проверим это на опыте. Наэлектризуем трением соприкасающиеся друг с другом эбонитовую палочку и кусочек меха или шерстяной ткани. Поместим поочерёдно внутрь металлической сферы, укреплённой на стержне электрометра, эбонитовую палочку (рис. 96, а) и кусочек меха (рис. 96, б). Стрелка электрометра отклонится, причём, как в первом, так и во втором случаях, на одинаковые углы. Если же одновременно опустить внутрь сферы эбонитовую палочку и кусочек меха (рис. 96, в), то стрелка электрометра останется на месте. Следовательно, модули зарядов обоих тел равны, а их знаки противоположны.

Результаты многочисленных экспериментов позволили сформулировать утверждение, которое является фундаментальным законом природы — законом сохранения электрического заряда: в электрически изолированной системе при любых взаимодействиях алгебраическая сумма электрических зарядов остаётся постоянной:

где n — число зарядов в системе.

Принято считать систему тел (частиц) электрически изолированной, если между ней и внешними телами нет обмена электрически заряженными частицами.

Закон сохранения электрического заряда указывает на важную особенность электрических явлений: электрические заряды всегда появляются парами. Так, например, при электризации трением тела приобретают заряды противоположных знаков, модули которых одинаковые.

От теории к практике

Можно ли при электризации трением зарядить только одно из соприкасающихся первоначально электронейтральных тел?

Из истории физики

Закон сохранения электрического заряда впервые был сформулирован и экспериментально подтверждён М. Фарадеем в 1843 г.

1. Объясните электризацию тел при соприкосновении. Почему при электризации заряжаются оба тела?

2. Что характеризует электрический заряд?

3. Какие виды электрических зарядов существуют в природе? Как взаимодействуют одноимённо заряженные частицы? разноимённо заряженные?

4. Какой заряд называют элементарным?

5. В чём проявляется свойство дискретности электрического заряда?

6. Сформулируйте закон сохранения электрического заряда. Каковы условия применимости этого закона?

7. При соскальзывании стеклянного бруска с наклонной плоскости происходит его электризация. Как это влияет на конечную скорость бруска?

Упражнение 12

1. Можно ли при электризации стеклянной палочки о шёлк сообщить ей заряд q = 4,8 · 10 –21 Кл?

2. Металлический шарик имеет N = 5,0 · 10 5 избыточных электронов. Определите его электрический заряд.

3. Два одинаковых металлических шарика закреплены так, что расстояние между ними существенно больше их размеров (рис. 97). Определите, какой заряд окажется на таком же третьем шарике, если им сначала коснуться первого шарика, а затем второго. Первоначальные заряды шариков: q₁ = 3е; q₂ = –8 е и q₃ = 5е.

Рис.

4. Определите суммарный заряд всех протонов, содержащихся в воде объёмом V = 10 см 3 (две чайные ложки).

5. Два одинаковых металлических шара, электрические заряды которых q₁ = –4,0 · 10 –14 Кл и q₂ = 2,0 · 10 –13 Кл, привели в соприкосновение. Определите число электронов, перешедших с первого шара на второй.

6. После того, как уединённый шарик радиусом R = 4,0 см зарядили, на каждом квадратном миллиметре его поверхности находился заряд q₁ = 2,0 · 10 –13 Кл . Определите заряд, который был сообщён шарику.

7. После того, как два положительно заряженных металлических шарика одинакового размера привели в соприкосновение, заряд одного из них увеличился на α = 50 % . Определите отношение первоначальных зарядов шариков.

8. Заряд медного шара q = 25 нКл . Определите, какую часть своих валентных электронов потерял шар, если его масса m = 0,10 кг . Валентность меди n = 1 .

Физика. 10 класс

§ 16. Электрический заряд. Закон сохранения электрического заряда

Что означает наличие электрического заряда у тела или частицы? Как взаимодействуют электрически заряженные тела?

Рис.

Электрическим зарядам присущи следующие фундаментальные свойства:

3) в любой электрически изолированной системе алгебраическая сумма зарядов тел (частиц) не изменяется;

Рис.

Заряды разных тел (частиц) могут отличаться не только знаками, но и числовыми значениями.

Интересно знать

Какие свойства электрических зарядов вы знаете

Бог проявил щедрость,
когда подарил миру такого человека.

Светлане Плачковой посвящается

Издание посвящается жене, другу и соратнику, автору идеи, инициатору и организатору написания этих книг Светлане Григорьевне Плачковой, что явилось её последним вкладом в свою любимую отрасль – энергетику.

Книга 1. От огня и воды к электричеству
Книга 2. Познание и опыт — путь к современной энергетике
Книга 3. Развитие теплоэнергетики и гидроэнергетики
Книга 4. Развитие атомной энергетики и объединенных энергосистем
Книга 5. Электроэнергетика и охрана окружающей среды. Функционирование энергетики в современном мире

Книга 2. Познание и опыт — путь к современной энергетике

Книга 2. Познание и опыт — путь к соврем
ЧАСТЬ 3. Развитие учения об электричеств
Раздел 5. Первые наблюдения и эксперимен

5.4. Электрическое поле и его характеристики

Заряды взаимодействуют не только при соприкосновении наэлектризованных тел, но и тогда, когда эти тела находятся на расстоянии друг от друга. Вид материи, посредством которой осуществляется взаимодействие электрических зарядов на расстоянии, называется электрическим полем . Электрическое поле всегда существует вокруг электрического заряда и имеет две характеристики: силовую (напряженность электрического поля в данной точке) и энергетическую (потенциал электрического поля в данной точке). Напряженность Е электрического поля в какой-либо точке измеряется силой F , с которой поле действует на единичный положительный точечный заряд q , помещенный в эту точку: Е = F/ q. Напряженность электрического поля – векторная величина. Направление вектора напряженности совпадает с направлением вектора силы F , действующей в данной точке на положительный заряд. Потенциалом электрического поля в данной точке называется величина, численно равная значению потенциальной энергии единичного положительного точечного заряда, помещенного в этой точке. Потенциалы точек электрического поля положительно заряженного тела положительны и уменьшаются по мере удаления от тела, а потенциалы точек электрического поля отрицательно заряженного тела отрицательны и увеличиваются при удалении от тела. Потенциал наэлектризованного проводника становится тем больше, чем больше электричества сообщается ему. Если электрическое поле создается несколькими зарядами, расположенными в различных точках пространства, то потенциал в каждой точке поля равен алгебраической сумме потенциалов полей всех зарядов в этой точке. Разность потенциалов ( ϕ 1 – ϕ 2 ) между двумя точками электрического поля получила название напряжения ( U ). Напряжение численно равно работе А , которую производят электрические силы при перемещении единичного положительного заряда q между двумя точками: U = ϕ 1 – ϕ 2 = А / q. В системе СИ за единицу разности потенциалов (единицу напряжения) принимается один вольт (1 В) – разность потенциалов между двумя точками электрического поля, при которой силы поля, перемещая один кулон электричества из одной точки в другую, совершают работу в один джоуль. Если электрическое поле однородно, т.е. напряженность во всех точках поля постоянна по величине и направлению, то между напряженностью поля и разностью потенциалов существует взаимосвязь: E = – U/ L, где L – длина силовой линии однородного электрического поля. В системе СИ напряженность электрического поля измеряется в единицах вольт/метр (В/м). 1 В/м – это напряженность такого однородного электрического поля, у которого разность потенциалов на концах силовой линии длиной в 1 м равна 1 В.

Введение
ЧАСТЬ 1. Искусство познавать окружающий мир
ЧАСТЬ 2. Развитие учения о теплоте, термодинамику, теплопередачу и тепловые машины
- Раздел 1. Теплота
  - 1.1. Агрегатные состояния тел
  - 1.2. Природа теплоты. Принцип эквивалентности. Закон сохранения энергии
  - 1.3. Энергия. Виды энергии и их особенности
  - 1.4. Теплоемкость
  - 2.1. Предмет и метод термодинамики
  - 2.2. Основные понятия и определения
  - 2.3. Первый закон термодинамики
  - 2.4. Второй закон термодинамики
  - 2.5. Понятие эксергии
  - 2.6. Третий закон термодинамики (тепловой закон Нернста)
  - 2.7. Энтропия и беспорядок (cтатистический характер второго закона термодинамики)
  - 2.8. Философско-методологические основы второго закона термодинамики
  - 2.9. Термодинамика на рубеже XXI века. Состояние и перспективы
  - 3.1. Способы переноса теплоты
  - 3.2. Классификация способов переноса теплоты
  - 3.3. Некоторые основные направления развития теории и практики теплопередачи на современном этапе
  - 4.1. Паровые двигатели (паровые машины; паровые турбины)
    - 4.1.1. Паровые машины
    - 4.1.2. Паровые турбины
    - Раздел 5. Первые наблюдения и экспериментальные исследования электричества и магнетизма. Открытие основных свойств и законов электричества
      - 5.1. Первые сведения об электричестве трения и магнетизме
      - 5.2. Электропроводность. Проводники и изоляторы
      - 5.3. Два рода электрических зарядов. Закон Кулона
      - 5.4. Электрическое поле и его характеристики
      - 5.5. Электрическая емкость. Конденсатор
      - 5.6. Электрическая машина трения. Индукционная машина
      - 5.7. Опыты с электрическим разрядом. Изучение атмосферного электричества
      - 6.1. Открытие гальванического тока
      - 6.2. Исследование электрической цепи. Законы Ома и Кирхгофа
      - 6.3. Электромагнетизм. Электромагнитная индукция
      - 7.1. Оборачиваемость электрической и тепловой энергии. Закон Джоуля-Ленца
      - 7.2. Открытие вольтовой дуги. Дуговые электрические лампы
      - 7.3. Лампы накаливания
      - 7.4. Термоэлектрический ток
      - 7.5. Зарождение основ электродинамики
      - 8.1. Первые электрические машины
      - 8.2. Создание центральных электростанций
      - 9.1. Первые электродвигатели
      - 9.2. Использование электрической тяги
      - 9.3. Электродвигатели переменного тока
      - 10.1. Электролиз, гальваностегия, гальванопластика
      - 10.2. Другие направления применения химического действия тока
      - 10.3. Техническое применение теплового действия тока
      - 11.1. Первые опыты по передаче электричества на расстояние
      - 11.2. Первые системы передачи электроэнергии постоянным током
      - 11.3. Передача электроэнергии переменным током
      - 11.4. Трансформация электроэнергии
      - 11.5. Усовершенствование конструкции линий электропередачи
      - 12.1. Первые шаги по объединению
      - 12.2. Основные способы соединения сетей
      - 12.3. Реализация объединения электрических сетей в первой трети ХХ века
      - 12.4. Преимущества соединения сетей
      - 12.5. Основные технические проблемы соединения сетей
      - 15.1. От первых электростанций и линий электропередачи к объединенной энергетической системы Украины
      - 15.2. Создание и становление Киевской энергосистемы
      - 15.3. Становление энергетики Западной Украины
      - Раздел 16. От открытия радиоактивности до цепной реакции деления урана
        
        16.1. На сцену выходит уран. Радиоактивность
        
        16.2. Энергия атома
        
        16.3. Радиоактивные элементы в периодической системе
        
        16.4. Первые ядерные реакции. Открытие нейтрона
        
        16.5. Искусственная радиоактивность
        
        16.6. Нейтрон вступает в действие. Деление урана. Плутоний
        
        16.7. Цепная ядерная реакция деления урана
        
        Использование материалов сайта разрешено при условии наличия ссылки на сайт.
        Перепечатка материалов с других источников (СМИ, наших партнеров) возможен в случае указания первоисточника.
        
        © 2012-2013 Энергетика: история, настоящее и будущее
        
        У к р а ї н с ь к а
        
        Р у с с к и й
        
        Электрический заряд и его свойства. Закон сохранения электрического заряда. Электрический заряд и его свойства.
        
        3) алгебраическая сумма электрических зарядов замкнутой системы остается постоянной (закон сохранения электрического заряда); или , 4) электрический заряд — величина релятивистки инвариантная, т.е. не зависит от системы отсчета, а значит, не зависит от того, движется заряд или покоится.
        
        Закон сохранения электрического заряда.
        
        Закон сохранения электрического заряда утверждает: электрические заряды не возникают и не исчезают, они могут быть лишь переданы от одного тела другому или перемещены внутри данного тела. Это фундаментальный закон природы, экспериментально подтвержденный в 1843 году английским физиком М. Фарадеем: или , т.е. алгебраическая сумма зарядов замкнутой системы (системы, не обменивающейся зарядами с внешними телами) остается постоянной.
        
        Взаимодействие зарядов. Закон Кулона.
        
        Взаимодействие зарядов. Точечным называется заряд, сосредоточенный на теле, линейные размеры которого пренебрежимо малы по сравнению с расстоянием до других заряженных тел, с которыми он взаимодействует. Понятие точечного заряда, как материальной точки является физической абстракцией.
        
        Закон Кулона
        
        Закон Кулона утверждает: сила взаимодействия между двумя неподвижными точечными зарядами, находящимися в вакууме, пропорциональна зарядамии обратно пропорциональна квадрату расстоянияr между ними. Этот закон можно записать в виде: , (1) где k – коэффициент пропорциональности, зависящий от выбора системы единиц. В СИ , где величина– электрическая постоянная. Она относится к числу фундаментальных физических постоянных: Ф/м или . (Фарад (Ф)– единица электроемкости.) Тогда численное значение коэффициента . Кулон экспериментально установил, что силы, действующие на заряды, являются центральными, т.е. они направлены вдоль прямой, соединяющей заряды (рис. 1.1). Рис. 1.1 Для одноименных зарядов (иилии) произведение, поэтому в формуле (1) силаF > 0 соответствует случаю взаимного отталкивания одноименных зарядов, а сила F < 0 – случаю взаимного притяжения разноименных зарядов. Закон Кулона (1) можно записать в векторной форме. Cила , действующая на зарядсо стороны зарядаравна: , где — радиус вектор, соединяющий зарядс зарядом,. Cила , действующая на зарядсо стороны зарядаравна: , где — радиус вектор, соединяющий зарядс зарядом,. Таким образом, кулоновские силы иподчиняются третьему закону Ньютона: . Относительная диэлектрическая проницаемость () среды показывает, во сколько раз в данной среде сила взаимодействия между двумя точечными зарядами и, находящимися друг от друга на расстоянииr, меньше, чем в вакууме. Тогда, с учетом этого формула (1) примет вид: . (2) Такая форма записи закона Кулона общепринята в электротехнике и называется рационализированной. В векторной форме закон Кулона запишется: . (3)
        
        Электростатическое поле. Напряженность поля. Графическое изображение электростатических полей. Принцип суперпозиции.
        
        Похожие публикации:
        
        Из чего сделать ножки для ноутбука
        
        Как проверить сопротивление изоляции кабеля мультиметром
        
        Какой ток называют током проводимости
        
        Что делать при отключении электричества