Минималният електрически заряд - зарядът на електрона е равен. Електрически заряд и неговите свойства

« Физика - 10 клас"

Нека първо разгледаме най-простия случай, когато електрически заредените тела са в покой.

Разделът на електродинамиката, посветен на изучаването на условията на равновесие за електрически заредени тела, се нарича електростатика.

Какво е електрически заряд?
Какви са таксите?

С думи електричество, електрически заряд, електрически токсрещахте се много пъти и успяхте да свикнете с тях. Но опитайте се да отговорите на въпроса: "Какво е електрически заряд?" Самата концепция зареждане- това е основното, първично понятие, което на сегашното ниво на развитие на нашето знание не може да се сведе до никакви по-прости, елементарни понятия.

Нека първо се опитаме да разберем какво означава твърдението: „Дадено тяло или частица има електрически заряд“.

Всички тела са изградени от най-малките частици, които са неделими на по-прости и затова се наричат елементарен.

Елементарните частици имат маса и поради това се привличат една към друга според закона за всемирното привличане. С увеличаване на разстоянието между частиците гравитационната сила намалява обратно пропорционално на квадрата на това разстояние. Повечето елементарни частици, макар и не всички, също имат способността да взаимодействат помежду си със сила, която също намалява обратно пропорционално на квадрата на разстоянието, но тази сила е многократно по-голяма от силата на гравитацията.

Така във водородния атом, показан схематично на фигура 14.1, електронът е привлечен от ядрото (протона) със сила 10 39 пъти по-голяма от силата на гравитационното привличане.

Ако частиците взаимодействат помежду си със сили, които намаляват с увеличаване на разстоянието по същия начин като силите на универсалната гравитация, но превишават многократно силите на гравитацията, тогава се казва, че тези частици имат електрически заряд. Самите частици се наричат заредена.

Има частици без електрически заряд, но няма електрически заряд без частица.

Взаимодействието на заредените частици се нарича електромагнитни.

Електрическият заряд определя интензивността на електромагнитните взаимодействия, точно както масата определя интензивността на гравитационните взаимодействия.

Електрическият заряд на елементарната частица не е специален механизъм в частица, който може да бъде отстранен от нея, разложен на съставните й части и отново сглобен. Наличието на електрически заряд в електрона и други частици означава само съществуването на определени силови взаимодействия между тях.

Ние, по същество, не знаем нищо за заряда, ако не знаем законите на тези взаимодействия. Познаването на законите на взаимодействията трябва да бъде включено в нашето разбиране за заряда. Тези закони не са прости и е невъзможно да бъдат изразени с няколко думи. Поради това е невъзможно да се даде достатъчно задоволително кратко определение на понятието електрически заряд.

Два знака за електрически заряди.

Всички тела имат маса и следователно се привличат. Заредените тела могат както да се привличат, така и да се отблъскват. Този най-важен факт, познат ви, означава, че в природата има частици с електрически заряди с противоположни знаци; При заряди с еднакъв знак частиците се отблъскват, а при различни по знак се привличат.

Заряд на елементарни частици - протони, които са част от всички атомни ядра, се нарича положителен, а зарядът електрони- отрицателен. Няма вътрешни разлики между положителните и отрицателните заряди. Ако знаците на зарядите на частиците бяха обърнати, тогава природата на електромагнитните взаимодействия изобщо нямаше да се промени.

елементарен заряд.

В допълнение към електроните и протоните има още няколко вида заредени елементарни частици. Но само електроните и протоните могат да съществуват неограничено време в свободно състояние. Останалите заредени частици живеят по-малко от милионни от секундата. Те се раждат по време на сблъсъци на бързи елементарни частици и след като са съществували незначително време, се разпадат, превръщайки се в други частици. С тези частици ще се запознаете в 11. клас.

Частиците, които нямат електрически заряд включват неутрон. Масата му само малко надвишава масата на протона. Неутроните, заедно с протоните, са част от атомното ядро. Ако една елементарна частица има заряд, тогава стойността му е строго определена.

заредени телаЕлектромагнитните сили в природата играят огромна роля поради факта, че съставът на всички тела включва електрически заредени частици. Съставните части на атомите - ядра и електрони - имат електрически заряд.

Прякото действие на електромагнитните сили между телата не се открива, тъй като телата в нормално състояние са електрически неутрални.

Атом на всяко вещество е неутрален, тъй като броят на електроните в него е равен на броя на протоните в ядрото. Положително и отрицателно заредените частици са свързани помежду си чрез електрически сили и образуват неутрални системи.

Макроскопичното тяло е електрически заредено, ако съдържа излишък от елементарни частици с произволен знак за заряд. И така, отрицателният заряд на тялото се дължи на излишъка от броя на електроните в сравнение с броя на протоните, а положителният заряд се дължи на липсата на електрони.

За да се получи електрически заредено макроскопично тяло, т.е. да се наелектризира, е необходимо да се отдели част от отрицателния заряд от свързания с него положителен заряд или да се прехвърли отрицателен заряд към неутрално тяло.

Това може да стане с триене. Ако прокарате гребен върху суха коса, то малка част от най-подвижните заредени частици – електроните ще преминат от косъма към гребена и ще го заредят отрицателно, а косата ще се зареди положително.

Равнопоставеност на зарядите при електрификация

С помощта на опита може да се докаже, че при наелектризиране чрез триене и двете тела придобиват заряди, които са противоположни по знак, но еднакви по големина.

Да вземем електрометър, върху пръта на който е фиксирана метална сфера с отвор, и две плочи на дълги дръжки: една от ебонит, а другата от плексиглас. При триене една в друга плочите се наелектризират.

Нека вкараме една от плочите вътре в сферата, без да докосваме стените й. Ако плочата е положително заредена, тогава част от електроните от иглата и пръта на електрометъра ще бъдат привлечени от плочата и ще се съберат върху вътрешната повърхност на сферата. В този случай стрелката ще бъде положително заредена и отблъсната от пръта на електрометъра (фиг. 14.2, а).

Ако вътре в сферата се постави друга плоча, като преди това е премахната първата, тогава електроните на сферата и пръчката ще бъдат отблъснати от плочата и ще се натрупат в излишък върху стрелката. Това ще накара стрелката да се отклони от пръта, освен това под същия ъгъл, както в първия експеримент.

След като спуснахме двете плочи вътре в сферата, изобщо няма да открием никакво отклонение на стрелката (фиг. 14.2, b). Това доказва, че зарядите на плочите са равни по големина и противоположни по знак.

Електрификация на телата и нейните прояви.По време на триенето на синтетични тъкани възниква значително наелектризиране. Когато събличате риза от синтетичен материал на сух въздух, можете да чуете характерно пращене. Малки искри прескачат между заредените зони на триещите се повърхности.

В печатниците хартията се наелектризира по време на печат и листовете се слепват. За да не се случи това, се използват специални устройства за източване на заряда. Въпреки това, електрифицирането на тела в близък контакт понякога се използва, например в различни електрокопирни машини и др.

Законът за запазване на електрическия заряд.

Опитът с наелектризирането на плочи доказва, че при наелектризиране чрез триене съществуващите заряди се преразпределят между телата, които преди това са били неутрални. Малка част от електроните преминава от едно тяло в друго. В този случай не се появяват нови частици и съществуващите преди това не изчезват.

При наелектризиране на тела, закон за запазване на електрическия заряд. Този закон е валиден за система, която не влиза отвън и от която не излизат заредени частици, т.е. изолирана система.

В изолирана система алгебричната сума на зарядите на всички тела се запазва.

q 1 + q 2 + q 3 + ... + q n = const. (14.1)

където q 1, q 2 и т.н. са зарядите на отделните заредени тела.

Законът за запазване на заряда има дълбок смисъл. Ако броят на заредените елементарни частици не се променя, тогава законът за запазване на заряда е очевиден. Но елементарните частици могат да се трансформират една в друга, да се раждат и изчезват, давайки живот на нови частици.

Във всички случаи обаче заредените частици се произвеждат само по двойки със заряди с еднакъв модул и противоположен знак; заредените частици също изчезват само по двойки, превръщайки се в неутрални. И във всички тези случаи алгебричната сума на зарядите остава същата.

Валидността на закона за запазване на заряда се потвърждава от наблюденията на огромен брой трансформации на елементарни частици. Този закон изразява едно от най-фундаменталните свойства на електрическия заряд. Причината за запазването на заряда все още не е известна.

Предположението, че всеки електрически заряд, наблюдаван в експеримента, винаги е кратен на елементарния, е направено от Б. Франклин през 1752 г. Благодарение на експериментите на М. Фарадей върху електролизата, стойността на елементарния заряд е изчислена през 1834 г. съществуването на елементарен електрически заряд е посочено и през 1874 г. от английския учен J. Stoney. Той също така въвежда понятието "електрон" във физиката и предлага метод за изчисляване на стойността на елементарен заряд. За първи път елементарният електрически заряд е измерен експериментално от Р. Миликан през 1908 г.

Електрическият заряд на всяка микросистема и макроскопични тела винаги е равен на алгебричната сума на елементарните заряди, включени в системата, т.е. цяло число, кратно на стойността д(или нула).

Установената към момента стойност на абсолютната стойност на елементарния електрически заряд е д= (4, 8032068 0, 0000015) . 10 -10 CGSE единици, или 1,60217733. 10 -19 С. Стойността на елементарния електрически заряд, изчислена по формулата, изразена чрез физични константи, дава стойността на елементарния електрически заряд: д= 4,80320419(21) . 10 -10 , или: e = 1,602176462(65) . 10 -19 С.

Смята се, че този заряд е наистина елементарен, тоест не може да бъде разделен на части, а зарядите на всякакви обекти са неговите цели кратни. Електрическият заряд на елементарната частица е нейната основна характеристика и не зависи от избора на отправна система. Елементарният електрически заряд е точно равен на електрическия заряд на електрона, протона и почти всички други заредени елементарни частици, които по този начин са материалните носители на най-малкия заряд в природата.

Има положителен и отрицателен елементарен електричен заряд, като елементарната частица и нейната античастица имат заряди с противоположни знаци. Носителят на елементарен отрицателен заряд е електрон, чиято маса е аз= 9, 11. 10 -31 кг. Носител на елементарния положителен заряд е протонът, чиято маса е т.т= 1,67. 10 -27 кг.

Фактът, че електрическият заряд се среща в природата само под формата на цяло число елементарни заряди, може да се нарече квантуване на електрическия заряд. Почти всички заредени елементарни частици имат заряд д -или e+(изключение правят някои резонанси със заряд, кратен на д); частици с дробни електрически заряди не са наблюдавани, но в съвременната теория на силното взаимодействие - квантовата хромодинамика - съществуването на частици - кварки - със заряди, кратни на 1/3 д.

Един елементарен електрически заряд не може да бъде унищожен; този факт е съдържанието на закона за запазване на електрическия заряд на микроскопично ниво. Електрическите заряди могат да изчезнат и да се появят отново. Винаги обаче се появяват или изчезват два елементарни заряда с противоположни знаци.

Стойността на елементарен електрически заряд е константа на електромагнитните взаимодействия и е включена във всички уравнения на микроскопичната електродинамика.

Подобно на концепцията за гравитационната маса на тялото в Нютоновата механика, концепцията за заряд в електродинамиката е първичната, основна концепция.

Електрически заряд е физическа величина, която характеризира свойството на частиците или телата да влизат в електромагнитни силови взаимодействия.

Електрическият заряд обикновено се обозначава с буквите рили Q.

Съвкупността от всички известни експериментални факти ни позволява да направим следните изводи:

Има два вида електрически заряди, условно наречени положителни и отрицателни.

Зарядите могат да се прехвърлят (например чрез директен контакт) от едно тяло на друго. За разлика от масата на тялото, електрическият заряд не е присъща характеристика на дадено тяло. Едно и също тяло при различни условия може да има различен заряд.

Еднаквите заряди отблъскват, за разлика от зарядите привличат. Това също показва фундаменталната разлика между електромагнитните и гравитационните сили. Гравитационните сили винаги са сили на привличане.

Един от основните закони на природата е експериментално установеният закон за запазване на електрическия заряд .

В изолирана система алгебричната сума на зарядите на всички тела остава постоянна:

р 1 + р 2 + р 3 + ... +рн= конст.

Законът за запазване на електрическия заряд гласи, че в затворена система от тела не могат да се наблюдават процеси на раждане или изчезване на заряди само с един знак.

От съвременна гледна точка носителите на заряд са елементарни частици. Всички обикновени тела са съставени от атоми, които включват положително заредени протони, отрицателно заредени електрони и неутрални частици - неутрони. Протоните и неутроните са част от атомните ядра, електроните образуват електронната обвивка на атомите. Електрическите заряди на протона и електрона по модул са абсолютно еднакви и равни на елементарния заряд д.

В неутрален атом броят на протоните в ядрото е равен на броя на електроните в обвивката. Този номер се нарича атомно число . Атом на дадено вещество може да загуби един или повече електрони или да получи допълнителен електрон. В тези случаи неутралния атом се превръща в положително или отрицателно зареден йон.

Зарядът може да се прехвърля от едно тяло на друго само на части, съдържащи цяло число елементарни заряди. По този начин електрическият заряд на тялото е дискретно количество:

Наричат се физически количества, които могат да приемат само дискретна поредица от стойности квантувано . елементарен заряд де квант (най-малката част) от електрическия заряд. Трябва да се отбележи, че в съвременната физика на елементарните частици се приема съществуването на така наречените кварки - частици с частичен заряд и Все още обаче не са наблюдавани кварки в свободно състояние.

В конвенционалните лабораторни експерименти електрическите заряди се откриват и измерват с помощта на електрометър ( или електроскоп) - устройство, състоящо се от метален прът и стрелка, която може да се върти около хоризонтална ос (фиг. 1.1.1). Върхът на стрелата е изолиран от металната кутия. Когато заредено тяло влезе в контакт с пръта на електрометъра, електрически заряди със същия знак се разпределят по пръта и стрелката. Силите на електрическо отблъскване карат стрелката да се завърти под определен ъгъл, по който може да се прецени зарядът, прехвърлен към пръта на електрометъра.

Електрометърът е доста груб инструмент; не позволява да се изследват силите на взаимодействие на зарядите. За първи път законът за взаимодействие на фиксираните заряди е открит от френския физик Чарлз Кулон през 1785 г. В своите експерименти Кулон измерва силите на привличане и отблъскване на заредени топки с помощта на проектирано от него устройство - торсионен баланс (фиг. 1.1.2), който се отличаваше с изключително висока чувствителност. Така например лъчът на баланса се завърта с 1 ° под действието на сила от порядъка на 10 -9 N.

Идеята за измерване се основава на гениалното предположение на Кулон, че ако заредена топка бъде поставена в контакт с точно същата незаредена, тогава зарядът на първата ще бъде разделен поравно между тях. Така беше посочен метод за промяна на заряда на топката два, три и т.н. пъти. Експериментите на Кулон измерват взаимодействието между топки, чиито размери са много по-малки от разстоянието между тях. Такива заредени тела се наричат точкови такси.

точков заряд наречено заредено тяло, чиито размери могат да бъдат пренебрегнати при условията на тази задача.

Въз основа на множество експерименти Кулон установява следния закон:

Силите на взаимодействие на фиксираните заряди са право пропорционални на произведението на зарядните модули и обратно пропорционални на квадрата на разстоянието между тях:

Силите на взаимодействие се подчиняват на третия закон на Нютон:

Те са сили на отблъскване с еднакви знаци на зарядите и сили на привличане с различни знаци (фиг. 1.1.3). Взаимодействието на фиксирани електрически заряди се нарича електростатичен или Кулон взаимодействие. Разделът от електродинамиката, който изучава взаимодействието на Кулон, се нарича електростатика .

Законът на Кулон е валиден за точково заредени тела. На практика законът на Кулон е добре изпълнен, ако размерите на заредените тела са много по-малки от разстоянието между тях.

Фактор на пропорционалност кв закона на Кулон зависи от избора на системата от единици. В международната система SI единицата за такса е висулка(CL).

Висулка - това е зарядът, преминаващ за 1 s през напречното сечение на проводника при сила на тока 1 A. Единицата за сила на тока (ампер) в SI е, заедно с единиците за дължина, време и маса основна мерна единица.

Коефициент кв системата SI обикновено се записва като:

Където - електрическа константа .

В системата SI, елементарният заряд дсе равнява:

Опитът показва, че силите на взаимодействие на Кулон се подчиняват на принципа на суперпозицията:

Ако заредено тяло взаимодейства едновременно с няколко заредени тела, тогава резултантната сила, действаща върху това тяло, е равна на векторната сума на силите, действащи върху това тяло от всички други заредени тела.

Ориз. 1.1.4 обяснява принципа на суперпозицията, като използва примера за електростатичното взаимодействие на три заредени тела.

Принципът на суперпозицията е основен закон на природата. Използването му обаче изисква известна предпазливост, когато става въпрос за взаимодействие на заредени тела с краен размер (например две проводими заредени топки 1 и 2). Ако трета заредена топка се повдигне до система от две заредени топки, тогава взаимодействието между 1 и 2 ще се промени поради преразпределение на заряда.

Принципът на суперпозицията гласи, че когато дадено (фиксирано) разпределение на зарядана всички тела силите на електростатично взаимодействие между които и да е две тела не зависят от наличието на други заредени тела.

д - =1,6 10 - 19 C (1.9)

Много формули за електричество включват коефициент на пространство от 4p. За да се отървем от него в практически важни формули, законът на Кулон е написан в следната форма:

Така (1.11)

Откъде (1.12)

e 0 - наречен електрическа константа.

§6: Теория за къси разстояния. Електрическо поле.

Опитът показва, че между електрически заредените и намагнитизираните тела, както и телата, през които протичат електрически токове, съществуват сили, наречени електромагнитни или електродинамични. В науката се излагат две противоположни гледни точки относно природата на тези сили. По-ранната (наречена теория на далечните разстояния) изхождаше от концепцията за прякото действие на телата на разстояние без участието на междинни материални посредници. В същото време се приемаше без доказателства, че такова действие възниква мигновено, т.е. с безкрайна скорост (v®¥)!? Една по-нова гледна точка, възприета понастоящем във физиката, идва от идеята, че взаимодействията се предават с помощта на специална материална среда, наречена електромагнитно поле (това е така наречената теория на късите разстояния). Според тази теория максималната скорост на разпространение на взаимодействията е равна на скоростта на светлината във вакуум: v=c (c е скоростта на светлината във вакуум). Теорията за действието на далечни разстояния черпи своите идеи от теорията на Нютон за универсалната гравитация. Огромните успехи на небесната механика от една страна и пълният провал да се обяснят по какъвто и да било начин причините за гравитацията, от друга, доведоха много учени до идеята, че гравитацията и електромагнитните сили не се нуждаят от обяснение, а са „вродени“ свойства на самата материя. В математическо отношение теорията за действието на далечни разстояния е достигнала висока степен на съвършенство благодарение на работата на Лаплас, Гаус, Остроградски, Ампер, Поасо. Той е следван от повечето физици до края на 19 век. Майкъл Фарадей беше почти единственият, който имаше различно мнение. Той е основател на физическата теория за електромагнитното поле. Според теорията на Фарадей, действията на едно тяло върху друго могат да се извършват или директно при контакт, или да се предават чрез междинна среда. По този начин фокусът на вниманието от изучаването на зарядите и токовете, които са основните обекти на теорията за действието на далечни разстояния, Фарадей прехвърля върху изучаването на околното пространство. Това пространство със силите, действащи в него, се нарича електромагнитно поле.

Електрическото взаимодействие се осъществява по схемата:

заряд ® поле ® заряд,

тези. всеки заряд създава електрическо поле около себе си, което действа със сила върху всички останали заредени частици в това поле. Максуел показа, че електромагнитните взаимодействия трябва да се разпространяват със скоростта на светлината във вакуум c»3·10 8 m/s. Това е основният аргумент в полза на теорията за къси разстояния. За природата на електрическото поле можем да кажем, че то е материално, т.е. съществува и има свойства, присъщи само на него. Сред най-важните свойства на електромагнитното поле са следните:

1. Електрическото поле се генерира от електрически заряди и изпълва цялото пространство.

2. Електрическото поле действа върху зарядите с известна сила.

Принципът на суперпозицията на полетата. плътност на заряда.

Нека полето е създадено от заряда q 1 . Ако за дадена точка от полето, която се определя от радиус вектора r 12, съгласно закона на Кулон, вземете отношението

ясно е, че това отношение вече не зависи от пробния заряд q 2 и по този начин изразът от дясната страна на (1.13) може да служи като характеристика на полето, създадено от заряда q 1 . Тази стойност се нарича напрегнатост на електрическото поле E!

Големината на напрежението имейл. поле на разстояние r от заряда q е

Напрежението е векторна величина. Във векторна форма има формата:

Като се вземе предвид (1.15), законът на Кулон (1.4) може да се запише като:

От (1.17) се вижда, че напрегнатостта на електрическото поле е равна на силата, действаща върху единичен положителензареждане.

Размер на опън [E]=H/Kl

Принцип на суперпозиция

Опитът показва, че за електрическо поле, принцип на суперпозиция на полета:

Ако - интензитетът на полетата, създадени от отделни заряди във всяка точка на пространството, тогава интензитетът в същата точка е равен на сумата от интензитетите.

където r i е радиус векторът, насочен от заряда q i към точката на наблюдение.

Този принцип е валиден до размера на ядрата r~10 - 15 м.

Обръщаме внимание, че в (1.18) интензитетите се сумират вектор! Използвайки формули (1.15) и (1.18), можете да изчислите силата на електрическото поле, създадено не само от точкови заряди, но и от заредени тела с всякаква форма.

плътност на заряда.

Ако зареденото тяло е голямо и не може да се счита за точков заряд, тогава да се изчисли силата на имейла. поле на такова тяло, е необходимо да се знае разпределението на зарядите вътре в това тяло. Това разпределение се характеризира с функция, наречена обемна плътност на електрическите заряди. A-приори, обемна плътност на зарядаНаречен

Разпределението на заряда се счита за известно, ако функцията r е известна = r(x,y,z).

Ако зарядите са разположени на повърхността, тогава повърхностна плътност на заряда

Разпределението на зарядите по повърхността се счита за известно, ако е известна функцията s= s(x, y, z).

Ако зарядите са разпределени по правата, тогава въвеждаме линейна плътност на заряда, което по дефиниция е:

Разпределението на заряда се счита за известно, ако е известна функцията t =t(x,y,z).

§8: Линии на електрическо поле. Напрегнатост на полето на точков заряд.

Електрическото поле се счита за известно, ако е известен векторът на интензитета във всяка точка на пространството. Можете да зададете или представите поле на хартия аналитично или графично с помощта електропровод.