Электрический заряд и его свойства

Кулон

Эта единица измерения заряда известна многим ещё со школы. Относится она, как вы уже поняли, к системе единиц СИ. Это производная величина, которая не является в системе СИ базовой. Она выводится из других величин и определяется другими величинами.

Единица измерения носит название учёного — Шарля де Огюстена Кулона, открывшего закон взаимодействия зарядов, и соответственно, электрический заряд. Обозначают сокращённо величину заряда буквами Кл

, а когда речь идёт о количестве заряда — пишут его с прописными буквами —кулон .

Определение электрического заряда в системе СИ следующее:

Электрический заряд в один кулон — это такой заряд, который проходит через сечение проводника при силе тока в один ампер за время равное одной секунде.

Между зарядом и единицей в ампер-час существует связь. Один кулон электричества равен 1/3600 ампер-часа.

Взаимодействие зарядов

Электрический заряд и его свойства
Взаимодействие зарядов: одноимённо заряженные тела отталкиваются, разноимённо — притягиваются друг к другу Самое простое и повседневное явление, в котором обнаруживается факт существования в природе электрических зарядов, — это электризация тел при соприкосновении. Способность электрических зарядов как к взаимному притяжению, так и к взаимному отталкиванию объясняется существованием двух различных видов зарядов. Один вид электрического заряда называют положительным, а другой — отрицательным. Разноимённо заряженные тела притягиваются, а одноимённо заряженные — отталкиваются друг от друга.

При соприкосновении двух электрически нейтральных тел в результате трения заряды переходят от одного тела к другому. В каждом из них нарушается равенство суммы положительных и отрицательных зарядов, и тела заряжаются разноимённо.

При электризации тела через влияние в нём нарушается равномерное распределение зарядов. Они перераспределяются так, что в одной части тела возникает избыток положительных зарядов, а в другой — отрицательных. Если две эти части разъединить, то они будут заряжены разноимённо.

Симметрия в физике
Преобразование Соответствующая инвариантность Соответствующий закон сохранения
Трансляции времени Однородность времени …энергии
⊠ , , и -симметрии Изотропность времени …чётности
Трансляции пространства Однородность пространства …импульса
↺ Вращения пространства Изотропность пространства …момента импульса
⇆ Группа Лоренца (бусты) Относительность Лоренц-ковариантность …движения центра масс
~ Калибровочное преобразование Калибровочная инвариантность …заряда

Презентация и исторические аспекты

Общий

Электрический заряд — это абстрактное понятие, сравнимое с понятием массы , которое помогает объяснить определенное поведение. В отличие от массы электрический заряд может принимать две формы, которые, как показывает опыт, считаются «противоположными»; их условно называют «положительными» и «отрицательными».

Два заряда одинаковой природы, например два положительных заряда, отталкиваются друг от друга, а два заряда противоположной природы притягиваются друг к другу. Это явление называется электромагнитным взаимодействием.

Взаимодействие между зарядами и электромагнитным полем является источником одной из четырех фундаментальных сил . Эти электромагнитные поля в классической механике подчиняются уравнениям Максвелла .

Электрический заряд можно непосредственно измерить электрометром . Его единица — кулон . Наблюдаемые частицы имеют заряды, кратные элементарному заряду, который является фундаментальной физической константой (за исключением частиц, называемых кварками, у которых есть электрический заряд, соответствующий целому числу, умноженному на e / 3). Кварки имеют дробные заряды -1/3 или +2/3, но свободные кварки никогда не наблюдались. Теоретическая причина, выдвинутая для объяснения этого наблюдения, — асимптотическая свобода . Дискретность электрического заряда продемонстрировал Роберт Милликен в эксперименте, названном его именем .

История

Электрический заряд был открыт древними греками, которые обнаружили, что трение меха о различные вещества, такие как янтарь , вызывает дисбаланс электрического заряда ( трибоэлектрическое явление ). Греки отмечают, что заряженные янтарные пуговицы могут притягивать легкие предметы, например волосы. Они также замечают, что если натереть янтарь достаточно долго, на нем даже может появиться искорка. Слово «электричество» происходит от греческого  слова «  ηλεκτρον », означающего «янтарь».

В XVIII — го  века, изучение электричества становится популярным. Проводятся электростатические эксперименты, во время которых с помощью устройств, действующих как конденсаторы, таких как лейденская банка , достигается достаточно высокое напряжение, чтобы вызвать сотрясение мозга. Посредством серии экспериментов (1733 г.) интендант Фэй выделил два вида электричества: стекловидное электричество (+) и смолистое электричество (-), соответствующие двум типам поведения материи во время электризации трением.

В то же время Бенджамин Франклин представляет электричество как невидимую жидкость, присутствующую во всех веществах. Предполагается, что трение изолирующих поверхностей приводит эту жидкость в движение и что поток этой жидкости образует электрический ток . Он также предполагает, что вещество, содержащее слишком мало этой жидкости, заряжено отрицательно, в противном случае — положительно. Произвольно, по крайней мере по какой-то неизвестной нам причине, он отождествляет термин «положительный» с типом заряда, приобретаемого стеклянным стержнем, натертым о шелк , а «отрицательный» — с зарядом, приобретаемым натертым янтарным стержнем с мехом . Возможно, из-за электрического потенциала материи.

Популярные статьи  Пройти онлайн тест по электробезопасности (3 группа допуска)

Условность и реалии

Теперь мы знаем, что модель Франклина была слишком простой. Материя на самом деле состоит из двух видов электричества: частиц, называемых «  протонами  », которые несут положительный электрический заряд, и частиц, называемых «  электронами  », которые несут отрицательный электрический заряд.

Электрический ток может иметь различные причины: поток отрицательно заряженных частиц, например , металлический проводник, или поток положительных частиц, или поток положительных и отрицательных частиц в противоположных направлениях, например , в ионном растворе.

Чтобы уменьшить эту сложность, электрики по- прежнему используют соглашение Франклина и представляют электрический ток, известный как «обычный ток», как состоящий из потока исключительно положительных частиц.

Обычный ток упрощает концепции и расчеты, но маскирует тот факт, что в некоторых проводниках ( электролитах , полупроводниках и плазме ) два типа электрических зарядов движутся в противоположных направлениях, или что в металлах отрицательные заряды почти исключительно ответственны за поток Текущий.

Электроскоп и электрометр – это одно и то же?

Существует небольшая путаница в этих двух понятиях: электроскоп и электрометр. Но, если рассмотреть вторые части этих слов, то уже можно говорить, что у них есть отличие. «Скоп» — «скопление», «вместе», «сообща». «Метр» значит что-то «измерять».

Внешний вид приборов тоже имеет отличия.

Электрический заряд и его свойстваЭлектроскоп 

Электроскоп состоит из металлического корпуса, внутри которого металлический стержень. Сверху стержень выходит наружу. К нему можно прикрепить полый шар или плоскую пластину. Внизу к стержню прикреплены два тонких бумажных или металлических лепестка.

Если коснуться стержня заряженным телом, лепестки разойдутся в разные стороны. 

Это происходит следующим образом. Металлы являются проводниками электрического заряда. Когда заряженное тело касается металлического стержня, заряд по нему проходит до лепестков. Но ведь этот заряд одного знака, значит, оба лепестка заряжаются одинаково, и происходит отталкивание.

Электрический заряд и его свойства

Электрический заряд и его свойстваЭлектрометры 

Электрометр также имеет металлический корпус, металлический стержень, но в отличие от электроскопа на нижнем конце стержня нет лепестков. К средней части стержня крепится стрелка, а к корпусу небольшая шкала.

Электрометр может показать не только наличие заряда. Он выполняет несложные измерения.

Электрический заряд и его свойства

Получается, что электроскоп и электрометр немного отличаются по своей конструкции и назначению.

Электризация тел. Два рода электрических зарядов

«Солнечным камнем» называли в Древней Греции янтарь – затвердевшую сосновую смолу. Греки очень любили изделия из янтаря за его блеск и солнечный цвет.

Электрический заряд и его свойстваЯнтарная смола 

Давно превратилась в легенду история открытия способности янтаря после трения о что-нибудь притягивать к себе другие тела. Вот о чем она говорит:

Электрический заряд и его свойства

Природу этих явлений удалось объяснить только во второй половине двадцатого века, а сами явления, названные в честь янтаря электрическими, уже давно служили человеку. Электрических явлений очень много. Среди них, электризация – получение телом способности к притяжению после трения, касания или влияния.

Электрический заряд и его свойства

Электризация наблюдается не только у двух твердых тел. Это происходит, когда жидкость течет по металлу или разбрызгивается на множество капель при ударе о твердое тело.

Зафиксированы случаи, когда в темное ночное время были не только слышны, но и видны сходящие снежные лавины. Их движение сопровождалось зеленоватым свечением.

Н. Тенсинг, покоритель Гималаев, наблюдал интересное явление, происходящее с его палатками. Они были вставлены друг в друга для сохранения тепла. Во время сильного сухого ветра пространство между палатками заполнялось мелкими искрами. Происходила электризация обледеневших палаток.

Тела, испытавшие на себе электризацию, называются наэлектризованными.

Такие тела могут повлиять на состояние других тел таким образом, что те тоже становятся наэлектризованными.

Объясняется это передачей электрического заряда от наэлектризованного тела нейтральному. Заряд характеризует величину наэлектризованности тел.

Электрический заряд и его свойства

Зарядов существует два вида: отрицательные и положительные. Это деление условное. За положительный принято считать заряд, полученный при натирании шелком стеклянного тела. Тот заряд, который получает эбонитовая палочка, потертая о шерсть или мех, получил статус отрицательного заряда. Некоторые тела электризуются, как стекло, и приобретают положительные заряды. Другие, как эбонит, при электризации получают отрицательные заряды.

Электрический заряд и его свойства

Наэлектризованные тела или заряды влияют друг на друга. Заряды одного знака отталкиваются, а разных знаков – притягиваются.

Электрический заряд и его свойства

Взаимодействие зарядов[ | ]

Взаимодействие электрически заряженных тел: одноимённо заряженные тела отталкиваются, разноимённо — притягиваются друг к другу Самое простое и повседневное явление, в котором обнаруживается факт существования в природе носителей электрических зарядов, — электризация тел при соприкосновении. Способность носителей электрических зарядов как к взаимному притяжению, так и к взаимному отталкиванию объясняется существованием двух различных видов электрических зарядов. Один вид электрического заряда называют положительным, а другой — отрицательным. Разноимённо заряженные тела притягиваются, а одноимённо заряженные — отталкиваются друг от друга.

Популярные статьи  Как можно извлечь в настенном бра перегорелую лампочку?

При соприкосновении двух электрически нейтральных тел в результате трения заряды переходят от одного тела к другому. В каждом из них нарушается равенство суммы положительных и отрицательных зарядов, и тела заряжаются разноимённо.

При электризации тела через влияние в нём нарушается равномерное распределение заряда. Они перераспределяются так, что в одной части тела возникает избыток положительного заряда, а в другой — отрицательных. Если две эти части разъединить, то они будут заряжены разноимённо.

Симметрия в физике
Преобразование Соответствующая инвариантность Соответствующий закон сохранения
Трансляции времени Однородность времени …энергии
⊠ , , и -симметрии Изотропность времени …чётности
Трансляции пространства Однородность пространства …импульса
↺ Вращения пространства Изотропность пространства …момента импульса
⇆ Группа Лоренца (бусты) Относительность Лоренц-ковариантность …движения центра масс
~ Калибровочное преобразование Калибровочная инвариантность …заряда

В чем выражается взаимодействие

Электрические заряды притягиваются и отталкиваются друг от друга. Это похоже на взаимодействие магнитов. Всем знакомо, что если потереть линейку или шариковую ручку о волосы – она наэлектризуется. Если в этом состоянии поднести её к бумаге, то она прилипнет к наэлектризованному пластику. При электризации происходит перераспределение зарядов, так что на одной части тела их становится больше, а на другой меньше.

По этой же причине вас иногда бьёт током шерстяной свитер или другие люди, когда вы их касаетесь.

Вывод: электрические заряды с одним знаком стремятся друг к другу, а с разными – отталкиваются. Они перетекают с одного тела на другое, когда касаются друг друга.

Свободные носители заряда[ | ]

В зависимости от концентрации свободных носителей электрических зарядов тела делятся на проводники, диэлектрики и полупроводники.

  • Проводники — тела, в которых носители электрического заряда могут перемещаться по всему его объёму. Проводники делятся на две группы: 1)проводники первого рода (металлы), в которых перемещение носителей элементарных электрических зарядов (свободных электронов) не сопровождается химическими превращениями; 2)проводники второго рода (например, расплавленные соли, растворы кислот), в которых перенос носителей зарядов (положительных и отрицательных ионов) ведёт к химическим изменениям.
  • Диэлектрики (например стекло, пластмасса) — тела, в которых практически отсутствуют свободные носители электрического заряда.
  • Полупроводники (например, германий, кремний) занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками.

Измерение[ | ]

Простейший электроскоп Для обнаружения и измерения совокупного электрического заряда тела применяется электроскоп, который состоит из металлического стержня — электрода и подвешенных к нему двух листочков фольги. При прикосновении к электроду заряженным телом носители электрического заряда стекают через электрод на листочки фольги, листочки оказываются одноимённо заряженными и поэтому отклоняются друг от друга.

Также может применяться электрометр, в простейшем случае состоящий из металлического стержня и стрелки, которая способна вращаться вокруг горизонтальной оси. При соприкосновении электрически заряженного тела со стержнем электрометра носители электрического заряда распределяются по стержню и стрелке, и силы отталкивания, действующие между носителями одноимённых электрических зарядов на стержне и стрелке, вызывают её поворот. Для измерения малых электрических зарядов используются более чувствительные электронные электрометры.

Примечания и ссылки

Заметки

  1. Строго говоря , только серьезная масса , в отличие от так называемой инертной массы , которая вмешивается в фундаментальные отношения динамики . Однако существует тождество этих двух типов масс, теоретически различных по своей природе, и это тождество является одной из основ общей теории относительности .
  2. кварк , конечно , иметь заряд , который представляет собой часть элементарного заряда, или 2 х / 3 или е / 3, но они не были обнаружен в свободном состоянии и всегда сочетает в парах (кварковом — антикварк, мезоны ) или путем триплеты ( барионы , например протон или нейтрон ): это явление адронизации кварков. Это всегда дает частицы, которые являются нейтральными или имеют заряд, равный целому кратному элементарному заряду, за исключением знака.
  3. Например, плотность свободных электронов в таком металле, как медь, составляет порядка 10 29  м −3 . В результате куб этого металла размером 1  мкм 3 , хотя и очень мал по размеру в обычном макроскопическом масштабе, все же содержит почти 10 11  свободных электронов, что делает иллюзорным даже в этом случае различать количественный характер заряда.
  4. То есть при первом приближении, пространственные размеры которого малы по сравнению с расстоянием, которое их разделяет.
  5. Строго говоря, это гравитационная масса , которая концептуально отличается от инертной массы .
  6. Чтобы закрепить идеи, можно сравнить силы между двумя точечными нагрузками с одинаковым значением 1  C и одинаковой массой 1  кг , размещенными на расстоянии одного метра. Таким образом, электростатическая сила имеет значение порядка 9 × 10 9  Н , в то время как сила тяжести составляет приблизительно 6,7 × 10 -11  Н , то есть разница в двадцать порядков величины. Даже принимая более реалистичные значения нагрузки и массы, этот пример ясно показывает большую разницу в интенсивности между двумя силами.
Популярные статьи  Api eplan p8: применение в проектировании на примере модуля trassadkc

§ 5. Проводники и диэлектрики в электрическом поле

Как нам уже известно, проводник представляет собой тело, которое содержит большое число свободных электронов, заряды которых компенсируются положительными зарядами ядер атомов. Если металлический проводник поместить в электрическое поле (рис. 12), то под влиянием сил поля свободные электроны проводника придут в движение в сторону, противоположную направлению сил поля. В результате этого на одной стороне проводника возникает избыточный отрицательный заряд, а на другой стороне проводника — избыточный положительный заряд.

Рис. 12. Проводник в электрическом поле

Разделение зарядов в проводнике под влиянием внешнего электрического поля называется электризацией через влияние, или электростатической индукцией, а заряды на проводнике — индуцированными зарядами.

Индуцированные заряды проводника создают добавочное электрическое поле, направление которого противоположно внешнему полю.

Результирующее электрическое поле внутри проводника уменьшается, а вместе с ним уменьшаются силы, действующие на перераспределение зарядов. Движение зарядов в проводнике прекратится, когда напряженность поля, вызванного индуцированными зарядами проводника εп, станет равной напряженности внешнего поля εвн, а результирующая напряженность поля внутри проводника будет равна нулю.

Как было указано выше, диэлектрик отличается от проводника отсутствием свободных электронов (точнее, весьма малым количеством свободных электронов). Электроны атомов диэлектрика прочно связаны с ядром атома.

Диэлектрик, внесенный в электрическое поле, так же как и проводник, электризуется через влияние. Однако между электризацией проводника и диэлектрика имеется существенная разница. Если в проводнике под влиянием сил электрического поля свободные электроны передвигаются по всему объему проводника, то в диэлектрике свободного перемещения электрических зарядов произойти не может. Но в пределах каждой молекулы диэлектрика возникает смещение положительного заряда вдоль направления электрического поля и отрицательного заряда в обратном направлении. В результате на поверхности диэлектрика возникнут электрические заряды.

Рассматриваемое явление называется поляризацией диэлектрика.

Различают диэлектрики двух классов. У диэлектриков первого класса молекула в нейтральном состоянии имеет положительный и отрицательный заряды, настолько близко расположенные один к другому, что действие их взаимно компенсируется. Под влиянием электрического поля положительные и отрицательные заряды в пределах молекулы несколько смещаются один относительно другого, образуя диполь* (рис. 13).

* ()

Рис. 13. Электрические заряды молекул диэлектрика: а — без внешнего поля, б — при наличии поля

У диэлектриков второго класса молекулы и в отсутствие электрического поля образуют диполи. Такие диэлектрики называются полярными. К ним относятся вода, аммиак, эфир, ацетон и т. д. У таких диэлектриков при отсутствии электрического поля диполи в пространстве расположены хаотически, и вследствие этого результирующее электрическое поле вокруг полярного диэлектрика равно нулю. Под действием внешнего электрического поля молекулы (а стало быть, и диполи) стремятся повернуться так, чтобы их оси совпали с направлением внешнего поля. С устранением электрического поля поляризация диэлектрика исчезает. Таким образом, поляризация представляет собой упругое смещение электрических зарядов в веществе диэлектрика.

При некоторой определенной величине напряженности электрического поля смещение зарядов достигает предельной величины, после чего происходит разрушение — пробой диэлектрика, в результате которого диэлектрик теряет свои изолирующие свойства и становится токопроводящим.

Напряженность электрического поля, при которой наступает пробой диэлектрика, называется пробивной напряженностью εпр. Напряженность поля, допускаемая при работе диэлектрика εдоп, должна быть меньше пробивной напряженности. Отношение

называется запасом прочности.

Приведем значения пробивной напряженности (в кв/мм) для некоторых диэлектриков:

Общая характеристика

Электрическим полем называется специфическая разновидность материи, формируемая микротелами, имеющими заряды. Тем не менее, это не только совокупность заряженных тел: данным термином именуется также микрополе, которое формирует в пространстве каждое заряженное тело. Именно совокупность этих микрополей и создаёт электрические поля в привычном для нас понимании.

Существование и непрерывное функционирование электрического поля обусловлено непрерывным взаимодействием частиц, имеющих заряды, в ходе которого они непосредственно сообщают электромагнитную энергию один другому посредством электрических полей, которые окружают каждое из них. Графически электрическое поле следует изображать в виде схематичной совокупности линий, в физической науке именуемых силовыми.

Силовые линии

Благодаря достижениям современной физики мы знаем, что электрические силы объясняют все химические и физические свойства веществ, от атома до животной клетки. Естествоиспытателями, которые заложили фундамент научного знания об электрическом поле, были Андре-Мари Ампер, Майкл Фарадей и Джеймс Клерк Максвелл.

Рейтинг
( Пока оценок нет )
Денис Серебряков/ автор статьи
Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: