Как электрические заряды взаимодействуют: Взаимодействие электрических зарядов — Основы электроники

Содержание

«Взаимодействие электрических зарядов. Закон Кулона. Решение задач»

«Взаимодействие электрических зарядов.

Закон Кулона. Решение задач»

Тип урока: изучение нового материала.

Цели:

Образовательная:

Воспитательная:

Развивающая:

  • развитие умений наблюдать, анализировать, сравнивать и делать выводы.

Оборудование: учебник 8 класс «Физика и астрономия», ПК, проектор, экран, доска, компьютерная презентация, раздаточный материал.

План урока:

  1. Организационный момент (3 минуты).

  2. Актуализация имеющихся знаний (10 минут).

  3. Объяснение нового материала (15 минут).

  4. Решение задач (15 минут).

  5. Домашнее задание, подведение итогов (2 минуты).

Ход урока.

1. Организационный момент.

— Здравствуйте! Садитесь.

— Ребята, в течение двух последних уроков мы с вами рассматривали начала электростатики, ее качественные законы (особенности). Начиная с этого урока, мы приступим к изучению количественных законов электромагнитных взаимодействий, а сегодня рассмотрим основной закон электростатики – закон взаимодействия двух неподвижных точечных заряженных тел или частиц (закон Кулона).

— Но прежде, давайте вспомним, что мы с вами изучили на прошлом уроке.

2.Актуализация имеющихся знаний.

1. Тест

1 вариант

1. Силы, действующие на заряды, правильно указаны на рисунке

  1. только А

  2. только Б

  3. только В

  4. Б и В

  5. А и В

2. Если две заряженные материальные точки притягиваются, то обязательно

  1. обе имеют положительный заряд

  2. обе имеют отрицательный заряд

  3. одна имеет положительный заряд, а другая – отрицательный

  4. либо обе имеют положительный заряд, либо обе имеют отрицательный заряд

3. Если две заряженные материальные точки отталкиваются, то обязательно

  1. обе имеют положительный заряд

  2. обе имеют отрицательный заряд

  3. либо обе имеют положительный заряд, либо обе имеют отрицательный заряд

  4. одна имеет положительный заряд, а другая – отрицательный

4. Единица измерения электрического заряда (в СИ)

  1. Вольт

  2. Ватт

  3. Кулон

  4. Ом

  5. Ампер

5. Водяная капля с электрическим зарядом +2

.10-8 Кл соединилась с другой каплей, обладающей зарядом +2.10-8 Кл. Заряд образовавшейся капли равен

  1. +4.10-8 Кл

  2. +2.10-8 Кл

  3. 0

  4. -2.10-8 Кл

  5. -4.10-8 Кл

6. От водяной капли, обладающей электрическим зарядом +2е, отделилась маленькая капля с зарядом -3е. Электрический заряд оставшейся части капли равен

  1. –5е

  2. –3е

  3. –е

  4. +3е

  5. +5е

2 вариант

1. В каком случае взаимодействие зарядов указано правильно?

  1. только А

  2. только Б

  3. только В

  4. Б и В

  5. А и В

2. Известно, что натиранием о шерсть заряжаются палочки из резины, серы, эбонита, пластмассы, капрона. Заряжается ли при этом шерсть?

  1. Да, т.к. в электризации трением всегда участвуют два тела и при этом электризуются оба;

  2. хотя в электризации трением участвуют два тела, в опытах всегда используются только палочки. Поэтому можно считать, что заряжаются только палочки.

3. Как взаимодействуют друг с другом эбонитовая палочка, наэлектризованная трением о мех, и стеклянная палочка, наэлектризованная трением о шёлк?

  1. будут притягиваться

  2. будут отталкиваться

  3. не будут взаимодействовать

4. Нейтральная капля разделилась на две. Первая обладает электрическим зарядом +q . Каким зарядом обладает вторая капля?

  1. +2q

  2. -q

  3. +q

5. Можно ли создать или уничтожить электрический заряд?

  1. Нельзя создать или уничтожить электрический заряд.

  2. Создать можно, уничтожить нельзя.

  3. Создать нельзя, уничтожить можно.

6. Алгебраическая сумма электрических зарядов атома в нормальном состоянии равна нулю, поэтому он:

  1. Заряжен отрицательно

  2. Электрически нейтрален

  3. Заряжен положительно

Ответы:

1 вариант: 1.В; 2.С; 3.С; 4.С; 5.А; 6.Е

2 вариант: 1.С; 2.А; 3.С; 4.С; 5.А; 6.В.

Фронтальный опрос. (Вопросы на слайдах)

  1. Какие меры предосторожности надо принять, чтобы при переливании бензина из одной цистерны в другую он не воспламенился?

(Во время перевозки и при переливании бензин электризуется, может возникнуть искра, и бензин вспыхнет. Чтобы этого не произошло, обе цистерны и соединяющий их трубопровод заземляют)

  1. Для заземления цистерны бензовоза к ней прикрепляют стальную цепь, нижний конец которой несколькими звеньями касается земли. Почему такой цепи нет у железнодорожной цистерны?

(Потому, что железнодорожная цистерна заземлена через колеса рельса)

  1. Может ли одно и тоже тело, например эбонитовая палочка, при трении электризоваться то отрицательно, то положительно?

(Может, в зависимости от того, чем ее натирают)

  1. Если вынуть один капроновый чулок из другого и держать каждый в руке на воздухе, то они расширяются. Почему?

(При трении чулки электризуются. Одноименные заряды отталкиваются. Поэтому поверхность чулка раздувается.)

  1. Газета «Известия» 22 марта 1969 года поместила следующий репортаж своих корреспондентов: «…В Швеции сейчас наблюдается любопытное явление. Здороваешься за руку, и вдруг тебя бьет током, взялся за какой-то металлический предмет – опять удар. В чем дело? Все объясняется просто. Воздух в Скандинавии сейчас настолько сух, что статическое электричество не уходит из организма, а накапливается в нем в больших количествах. От сверхмерной наэлектризованности люди становятся более раздражительными и повышенно возбудимыми». Насколько, с точки зрения физики, обоснованы выводы авторов?

— Мы с вами сейчас вспомнили, что происходит при взаимодействии тел.

— А теперь давайте рассмотрим, с какой силой могут взаимодействовать заряженные тела.

3. Объяснение нового материала.

— Ребята, откройте тетради и запишите тему сегодняшнего урока «Взаимодействие электрических зарядов. Закон Кулона. Решение задач».

— Первые количественные результаты по измерению силы взаимодействия двух точечных зарядов были получены в 1785 году французским ученым Шарлем Огюстеном Кулоном.

— Сегодня мы введем понятие точечного заряда.

Точечный заряд – заряд, сосредоточенный на теле, размеры которого малы по сравнению с расстоянием до других заряженных тел, с которыми он взаимодействует.

— Понятие точечного заряда, как и материальной точки является физической абстракцией.

— Кулон для измерения этой силы использовал крутильные весы.

Видеодемонстрация «Крутильные весы»

— После просмотра фильма проанализируем ответы на следующие вопросы:

  1. Из каких элементов состоят крутильные весы?

  2. Как Кулон определил силу взаимодействия заряженных сфер?

  3. В результате многочисленных измерений силы взаимодействия двух неподвижных точечных зарядов в вакууме Кулон установил зависимость. Какую?


Крутильные весы:

  1. Незаряженная сфера

  2. Неподвижная заряженная сфера

  3. Легкий изолирующий стержень

  4. Упругая нить

  5. Бумажный диск

  6. Шкала

— Итак, Кулон определял силу взаимодействия заряженных сфер по углу закручивания нити в зависимости от расстояния между ними.

— В результате многочисленных измерений силы взаимодействия двух неподвижных точеных зарядов в вакууме Кулон установил закон, названный впоследствии его именем.

Закон Кулона: Два неподвижных точечных электрических заряда взаимодействуют в вакууме с силой, прямо пропорциональной произведению этих зарядов и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними.

где:

q 1,q 2 — величина зарядов [Кл]

r— расстояние между зарядами [м]

k – коэффициент пропорциональности [Н•м2/Кл2]

F— сила Кулона (кулоновская сила) [Н]

— Ребята давайте запишем в тетрадь закон Кулона, величины и единицы их измерения.

— В Международной системе единиц (СИ) за единицу электрического заряда принят 1 кулон (1 Кл).

1 кулон – это точечный заряд, который действует в вакууме на равный ему точечный заряд, расположенный на расстоянии, равном 1 м, силой 9•109 Н.

— Опытным путем было установлено, что коэффициент пропорциональности k в СИ имеет вид:

В СИ закон Кулона для вакуума имеет вид:

— Дальнейшие опыты показали, что наличие вещества вокруг зарядов влияет на силу их взаимодействия. Если, не меняя заряды и их взаимное расположение, пространство заполнить однородной непроводящей средой (керосином, водой, маслом и т.п.), то сила взаимодействия между зарядами уменьшится в ε раз. Величина ε называется диэлектрической проницаемостью среды. Для каждой среды она имеет определенное значение, полученное опытным путем.

— Итак, закон Кулона в зависимости от среды имеет вид:

Границы применимости закона:

  • Заряженные тела должны быть точечными. Если же размеры и расстояния соизмеримы, то закон Кулона не применим. В этом случае необходимо мысленно «разбить» тело на такие малые объемы, чтобы каждый из них отвечал условию точечности. Суммирование сил, действующих между элементарными объемами заряженных тел, дает возможность определить электрическую силу.

  • Заряженные тела должны быть неподвижными, т.к. при движении заряженных тел проявляется действие магнитного поля, возникающего в результате этого движения.

4. Решение задач.

1. Во сколько раз изменится сила взаимодействия между двумя точечными заряженными телами, если:

а) расстояние между ними увеличить в 3 раза;

б) заряд одного из них увеличить в 5 раз?

Дано:

r1=r

r2=3r

q1=q2=q

Решение:

Ответ: сила уменьшится в 9 раз.

F1/F2 — ?

Дано:

r=r*

q1=q2=q

q1*=q

q2*=5q

Решение:

Ответ: сила увеличится в 5 раз.

F*/F-?

2. Определите силу взаимодействия 2 одинаковых точечных зарядов по 1 мкКл, находящихся на расстоянии 30 см друг от друга.

Дано:

q1=q2=1 мкКл

r=30 см

k=9•109 Н•м2/Кл2

СИ:

1•10-6 Кл

0,3 м

Решение:

Ответ: F=0,01 Н

F-?

3. Сила взаимодействия двух одинаковых точечных зарядов, находящихся на расстоянии 0,5 м, равна 3,6 Н найдите величины этих зарядов.

Дано:

r=0,5 м

F=3,6 Н

k=9•109 Н•м2/Кл2

q1=q2=q

Решение:

Ответ: q=0,1•10-4 Кл

q — ?

4. На каком расстоянии нужно расположить два заряда 5•10 -9 Кл и 6•10 -9 Кл, чтобы они отталкивались друг от друга с силой 12•10-5 Н.?

Дано:

F=12•10-4 Н

k=9•109 Н•м2/Кл2

q1=5•10 -9 Кл

q2 =6•10 -9 Кл

Решение:

Ответ: q=0,1•10-4 Кл

r — ?

5. Определите расстояние между двумя одинаковыми электрическими зарядами, находящимися в керосине, с диэлектрической проницаемостью ε, если сила взаимодействия между ними такая же, как в вакууме на расстоянии 30 см.

Дано:

ε=2,5

q1=q2=q

F1=F2

r2= 5м

Решение:

Ответ: r1=10м

r1 — ?

5. Домашнее задание, подведение итогов

Д/з: §31, упр. 14 №1, 2, 4.

Взаимодействие электрических зарядов. Закон Кулона

Электрический заряд. Закон сохранения электрического заряда. Электростатическая сила. Закон Кулона.

Электрический заряд

Заряд является свойством материи, так же, как масса, объем или плотность.
Все они являются измеримыми величинами. Точно так же, как вы можете количественно измерить массу тела, вы можете измерить, какой заряд он имеет. 

Для того, чтобы заряды  могли перемещаться, нужны носители зарядов (вот где наши знания атомных частиц пригодятся).
Из предыдущего урока мы уже знаем, что носителями зарядов в проводниках являются свободные электроны.
Электроны всегда несут отрицательный заряд в отличие от протонов, которые всегда положительно заряжены. При этом оба – и электрон и протон – несут одинаковый заряд, только разного знака.

Это наименьший из всех встречающихся в природе электрических зарядов, называемый поэтому элементарным зарядом или квантом электрического заряда. Все заряды, наблюдаемые в природе, являются кратными этому элементарному заряду.

Таким образом, заряд может передаваться от одного тела к другому только порциями, содержащими целое число элементарных зарядов (квантов).
Дискретность или квантованность электрического заряда в терминах математики записывается так:

q = ± n·e     

где: n = 0, 1, 2, 3, …
        e = 1,6 · 10 -19 (Кл) — элементарный заряд 

Нейтроны, оправдывая свое название, являются нейтральными, они не имеют заряда. Ниже в таблице приведены элементарные частицы, их массы и заряды.


     Частица           Масса            Заряд
электрон 9.11 х 10 -31 кг — 1.6 х 10 -19 Кл
протон 1.672 х 10 -27 кг + 1.6 х 10 -19 Кл
нейтрон 1.674 х 10 -27 кг 0


Закон сохранения электрического заряда
 
Одним из фундаментальных законов природы является экспериментально установленный закон сохранения электрического заряда. Закон сохранения заряда утверждает, что суммарный заряд изолированной системы остается постоянным:

q1 + q2 + q3 + … +qn = const.

Это означает, что в замкнутой системе тел не могут наблюдаться процессы рождения или исчезновения зарядов только одного знака. Заряды в замкнутой системе могут создаваться и уничтожаться, но только в положительно/отрицательных парах.

Электростатическая сила

Электростатическая сила — это сила, которая действует между зарядами. Электростатические силы взаимодействия точечных зарядов описываются законом Кулона.
Закон утверждает, что заряды одного знака отталкиваются друг от друга, в то время как заряды противоположных знаков притягиваются (рис. 1).



 

Рис. 1



Между электронами действуют электростатические силы отталкивания, а между электронами и протонами — электростатические силы притяжения. Эти силы являются частью «клея», который удерживает частицы атома вместе, но это также инструмент, который делает электроны (и заряды) подвижными.

Электроны вращаются на различных расстояниях от ядра атома. Те электроны, которые ближе к ядру, гораздо сильнее взаимодействуют с ядром, чем находящиеся на внешних орбитах. Внешние электроны атома называются валентными электронами и они требуют приложения минимальной силы, чтобы освободиться от атома.
Достаточно воздействия электростатической силы на валентный электрон – либо отталкивания от другого отрицательного заряда, либо притяжения его положительным зарядом, – чтобы он стал свободным электроном.

Атом вещества может потерять один или несколько электронов или приобрести лишний электрон. В этих случаях нейтральный атом превращается в положительно или отрицательно заряженный ион.

Сила взаимодействия двух зарядов зависит от того, как далеко они находятся друг от друга. Чем ближе заряды друг к другу, тем больше будет сила (притяжения или отталкивания).

Закон Кулона

В 1784 году великий французский физик и инженер Шарль Огюстен Кулон изобрел и построил крутильные весы, которые предназначались для измерения сверхмалых сил, а уже в следующем году сформулировал свой знаменитый закон, который сейчас известен любому школьнику:

Сила взаимодействия двух точечных зарядов в вакууме прямо пропорциональна произведению модулей этих зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.

  

где:   k — коэффициент пропорциональности;
          q1, q2 — неподвижные точечные заряды;
          r — расстояние между зарядами. 


                         
Коэффициент пропорциональности k в законе Кулона зависит от выбора системы единиц. Коэффициент k в системе СИ обычно записывают в виде:

 

 

 — электрическая постоянная
       

● Взаимодействие неподвижных электрических зарядов называют электростатическим или кулоновским взаимодействием.



● Силы взаимодействия являются силами отталкивания при одинаковых знаках зарядов и силами притяжения при разных знаках.

● Закон Кулона хорошо выполняется, если размеры заряженных тел много меньше расстояния между ними, то есть для точечных зарядов.

● Нужно помнить, что сила является векторной величиной, поэтому, когда взаимодействуют три и более зарядов, то равнодействующая сила взаимодействия этих зарядов равна векторной сумме отдельных сил.


Похожие статьи: 1. Что такое электрический ток?
                              2. Направление электрического тока
                              3. Проводники и изоляторы. Полупроводники
                              4. Постоянный и переменный ток
                              5. О скорости распространения электрического тока
                              6. Электрический ток в жидкостях 
                              7. Проводимость в газах
                              8. О проводимости полупроводников

      

   

Взаимодействие заряженных тел. Электрическое поле — урок. Физика, 8 класс.

В пространстве вокруг любого заряженного тела существует электрическое поле.

Поле одного заряженного тела действует с некоторой силой на второе тело. А поле второго тела действует с некоторой силой на первое тело.

                              

  

Рис. 1. Изображение взаимодействия заряженных тел

 

Именно этим можно объяснить взаимодействие двух заряженных тел — либо притяжение, либо отталкивание (рис. 1).

 

В физике принято, что материя существует в виде вещества и в виде поля.

Поле — материальная среда, передающая воздействие тел друг на друга в том числе в вакуумной среде.

Электростатическое поле — поле, передающее воздействие одного неподвижного электрического заряда на другой электрический заряд.

Сила, с которой электрическое поле одного заряда действует на внесённый в него другой электрический заряд, называется электрической силой.

Сила воздействия электрического поля на заряд уменьшается по мере удаления.

 

На рисунке изображены положения одного и того же шарика в точках \(1\), \(2\), \(3\) в разное время. Чем дальше расположен маленький положительно заряженный шарик, тем меньше воздействие на него большого положительного заряженного шара и меньше угол отклонения подвеса шарика (рис. 2).

  

  

  

  

  

Рис. 2. Изображение взаимодействия электрического поля и зарядов

 

Так как электрическое поле большого шара перемещает маленькие шары (отклоняет их на некоторый угол), можно утверждать, что оно совершает работу, а следовательно, обладает энергией.

 

Для наблюдения электростатического поля в безвоздушной среде электроскоп помещают под колокол воздушного насоса (рис. 3). Откачивая воздух, получают технический вакуум. Угол отклонения положительно заряженных листочков электроскопа не изменился.

 

Рис. 3. Изображение электроскопа

 

В безвоздушной среде электростатическое поле действует на заряды с той же силой, что и в воздухе.

 

Электрическое поле можно изобразить графически с помощью силовых линий электрического поля (рис. 4), которые имеют направление (выходят из положительного заряда; входят в отрицательный заряд).

Электрическое поле
положительного заряда

Электрическое поле
отрицательного заряда

  

Рис. 4. Изображение силовых линий электрического поля

 

Взаимодействие двух заряженных тел можно наблюдать при помощи электрических султанов, подключённых к электрофорной машине (рис. 5).

 

    

Рис. 5. Взаимодействие заряженных тел

 

В первом случае наблюдается отталкивание, а во втором — притяжение (рис. 6). 

 

Электрическое поле двух
положительных зарядов

Электрическое поле
отрицательного и положительного зарядов

  

Рис. 6. Изображение электрических полей заряженных тел

Источники:

Рис. 1. Изображение взаимодействия заряженных тел. © ЯКласс.
Рис. 2. Изображение взаимодействия электрического поля и зарядов. © ЯКласс.
Рис. 3.  By Original version: Sylvanus P. ThompsonDerived version: Chetvorno — Downloaded from Sylvanus P. Thompson (1881) Elementary Lessons in Electricity and Magnetism, MacMillan, New York, p.16, fig. 12, Public Domain, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=3967378.
Рис. 4. Изображение силовых линий электрического поля. © ЯКласс.
Рис. 5. Взаимодействие заряженных тел. © ЯКласс.
Рис. 6. Изображение электрических полей заряженных тел. © ЯКласс.

Электрические заряды

Если потереть стеклянную палочку о лист бумаги, то палочка приобретёт способность притягивать к себе листочки «султана» (см. рис. 1.1), пушинки, тонкие струйки воды. При расчёсывании сухих волос пластиковой расчёской волосы притягиваются к расчёске. В этих простых примерах мы встречаемся с проявлением сил, которые получили название электрических.

Рис. 1.1. Притягивание листочков «султана» наэлектризованной стеклянной палочкой.

Тела или частицы, которые действуют на окружающие предметы электрическими силами, называют заряженными или наэлектризованными. Например, упомянутая выше стеклянная палочка после того, как её потереть о лист бумаги, становится наэлектризованной.

Частицы имеют электрический заряд, если они взаимодействуют друг с другом посредством электрических сил. Электрические силы уменьшаются с увеличением расстояния между частицами. Электрические силы во много раз превышают силы всемирного тяготения.

Электрический заряд – это физическая величина, которая определяет интенсивность электромагнитных взаимодействий. Электромагнитные взаимодействия – это взаимодействия между заряженными частицами или телами.

Электрические заряды делятся на положительные и отрицательные. Положительным зарядом обладают стабильные элементарные частицы – протоны и позитроны, а также ионы атомов металлов и т.д. Стабильными носителями отрицательного заряда являются электрон и антипротон.

Существуют электрически незаряженные частицы, то есть нейтральные: нейтрон, нейтрино. В электрических взаимодействиях эти частицы не участвуют, так как их электрический заряд равен нулю. Бывают частицы без электрического заряда, но электрический заряд не существует без частицы.

На стекле, потёртом о шёлк, возникают положительные заряды. На эбоните, потёртом о мех – отрицательные заряды. Частицы отталкиваются при зарядах одинаковых знаков (одноимённые заряды), а при разных знаках (разноимённые заряды) частицы притягиваются.

Все тела состоят из атомов. Атомы состоят из положительно заряженного атомного ядра и отрицательно заряженных электронов, которые движутся вокруг ядра атома. Атомное ядро состоит из положительно заряженных протонов и нейтральных частиц – нейтронов. Заряды в атоме распределены таким образом, что атом в целом является нейтральным, то есть сумма положительных и отрицательных зарядов в атоме равна нулю.

Электроны и протоны входят в состав любого вещества и являются наименьшими устойчивыми элементарными частицами. Эти частицы могут неограниченно долго существовать в свободном состоянии. Электрический заряд электрона и протона называется элементарным зарядом.

Элементарный заряд – это минимальный заряд, которым обладают все заряженные элементарные частицы. Электрический заряд протона равен по абсолютной величине заряду электрона:

е = 1,6021892(46) * 10-19 Кл
Величина любого заряда кратна по абсолютной величине элементарному заряду, то есть заряду электрона. Электрон в переводе с греческого electron – янтарь, протон – от греческого protos – первый, нейтрон от латинского neutrum – ни то, ни другое.

Проводники и диэлектрики

Электрические заряды могут перемещаться. Вещества, в которых электрические заряды могут свободно перемещаться, называются проводниками. Хорошими проводниками являются все металлы (проводники I рода), водные растворы солей и кислот – электролиты (проводники II рода), а также раскалённые газы и другие вещества. Тело человека также является проводником. Проводники обладают высокой электропроводностью, то есть хорошо проводят электрический ток.

Вещества, в которых электрические заряды не могут свободно перемещаться, называются диэлектриками (от английского dielectric, от греческого dia – через, сквозь и английского electric – электрический). Эти вещества также называют изоляторами. Электропроводность диэлектриков очень мала по сравнению с металлами. Хорошими изоляторами являются фарфор, стекло, янтарь, эбонит, резина, шёлк, газы при комнатных температурах и другие вещества.

Разделение на проводники и изоляторы условно, так как проводимость зависит от различных факторов, в том числе от температуры. Например, стекло хорошо изолирует только в сухом воздухе и становится плохим изолятором при большой влажности воздуха.

Проводники и диэлектрики играют огромную роль в современном применении электричества.


1. Электрическое поле, заряды и их взаимодействия, закон сохранения электрического заряда

Электрическим зарядом называют некоторое свойство тела, которое проявляется в том, что данное тело участвует в электромагнитных взаимодействиях.
Если тело участвует в электромагнитных взаимодействиях, то говорят, что это тело заряжено электрическим зарядом.

Поле
Электрические заряды создают электромагнитное поле, которое действует на заряды. 
Заряд определяет интенсивность взаимодействия заряженных тел или, по-другому, является мерой взаимодействия  заряженного тела с полем.

Две концепции электромагнитных взаимодействий
Когда-то было точно неизвестно, как именно взаимодействуют заряженные тела. Одни утверждали, что заряды взаимодействуют на расстоянии через пустоту, причем взаимодействия осуществляются с бесконечно большой скоростью (теория дальнодействия), другие, что взаимодействия передаются с помощью особых материальных посредников с конечной скоростью (теория близкодействия).
В электродинамике принята теория близкодействия. Электрическое взаимодействие осуществляется на расстоянии, без прямого контакта взаимодействующих тел, и передается с помощью особого носителя – электромагнитного поля, распространяющегося со скоростью света.-19 Кл

Закон сохранения заряда
В замкнутой (изолированной) системе полный заряд сохраняется. Причем в результате взаимодействий из исходных частиц могут образовываться новые, но это не меняет заряда системы. Положительно заряженных частиц образуется ровно столько же сколько отрицательно заряженных.
Действие света также не меняет полного заряда системы, так как фотоны не являются носителями заряда.

Как не заблудиться в поле или о путанице в терминологии
Долгое время считалось, что электрическое и магнитное поля имеют разную природу, но оказалось, что это не так. Во-первых, у них один источник – электрический заряд, во-вторых, в природе эти поля не могут существовать друг без друга, то есть одно поле порождает другое, а то порождает первое и тд. Поэтому «общее» поле называют электромагнитным, но для удобства (или большей путаницы) обучение строят исторически, то есть сначала «открывают» электрическое поле, затем магнитное, а потом говорят, что это-то одно и тоже!

Интересно, что неподвижный заряд может породить только электрическое поле, без магнитного. Почему это возможно я скажу позже.

Закон сохранения электрического заряда. Закон Кулона

Закон сохранения электрического заряда. Закон Кулона

Подробности
Просмотров: 683

Электродинамика — наука о свойствах электромагнитного поля.

Электромагнитное поле — определяется движением и взаимодействием заряженных частиц.

Проявление эл/магнитного поля — это действие эл/магнитных сил:
1) силы трения и силы упругости в макромире;
2) действие эл/магнитных сил в микромире (строение атома, сцепление атомов в молекулы, превращение элементарных частиц)

Открытие эл/магнитного поля — Дж. Максвелл.


ЭЛЕКТРОСТАТИКА

— раздел электродинамики, изучает покоящиеся электрически заряженные тела.

Элементарные частицы могут иметь эл. заряд, тогда они называются заряженными;
— взаимодействуют друг с другом с силами, которые зависят от расстояния между частицами, но превышают во много раз силы взаимного тяготения (это взаимодействие называется электромагнитным).

Электрический заряд — физическая величина, определяет интенсивность электромагнитных взаимодействий.
Существует 2 знака эл.зарядов: положительный и отрицательный.
Частицы с одноименными зарядами отталкиваются, с разноименными — притягиваются.
Протон имеет положительный заряд, электрон — отрицательный, нейтрон — электрически нейтрален.

Элементарный заряд — минимальный заряд, разделить который невозможно.
Чем объяснить наличие электромагнитных сил в природе? — в состав всех тел входят заряженные частицы.
В обычном состоянии тела электрически нейтральны (т.к. атом нейтрален), и электромагнитные силы не проявляются.

Тело заряжено, если имеет избыток зарядов какого-либо знака:
отрицательно заряжено — если избыток электронов;
положительно заряжено — если недостаток электронов.

Электризация тел — это один из способов получения заряженных тел, например, соприкосновением).
При этом оба тела заряжаются , причем заряды противоположны по знаку, но равны по модулю.


Закон сохранения электрического заряда

В замкнутой системе алгебраическая сумма зарядов всех частиц остается неизменной.
( … но, не числа заряженных частиц, т.к. существуют превращения элементарных частиц).


Замкнутая система— система частиц, в которую не входят извне и не выходят наружу заряженные частицы.

Закон Кулона — основной закон электростатики.

Сила взаимодействия двух точечных неподвижных заряженных тел в вакууме прямо пропорциональна произведению модулей заряда и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.

Когда тела считаются точечными? — если расстояние между ними во много раз больше размеров тел.
Если у двух тел есть электрические заряды, то они взаимодействуют по закону Кулона.

Единица электрического заряда: 1 Кл — это заряд, проходящий за 1 секунду через поперечное сечение проводника при силе тока 1 А.
1 Кл — очень большой заряд.
Элементарный заряд:

Коэффициент пропорциональности

Принято записывать коэффициент пропорциональности в законе Кулона в вакууме в виде

где электрическая постоянная

Закон Кулона для величины силы взаимодействия зарядов в произвольной среде (в СИ):

Диэлектрическая проницаемость среды характеризует электрические свойства среды. В вакууме

Таким образом, сила Кулона зависит от свойств среды между заряженными телами.



Электростатика и законы постоянного тока — Класс!ная физика

Электрический заряд. Электризация. Закон сохранения электрического заряда. Закон Кулона. Единица электрического заряда — Близкодействие и дальнодействие. Электрическое поле. Напряженность электрического поля. Принцип суперпозиции полей. Силовые линии электрического поля — Проводники и диэлектрики в электростатическом поле. Поляризация диэлектриков
— Потенциальная энергия тела в электростатическом поле. Потенциал электростатического поля и разность потенциалов. Связь между напряженностью электростатического поля и разхностью потенциалов — Электроемкость. Конденсаторы. Энергия заряженного конденсатора — Электрический ток. Сила тока. Условия, необходимые для существования электрического тока. Закон Ома для участка цепи. Сопротивление — Работа и мощность тока

Электрический заряд. Электризация. Закон сохранения заряда. Закон Кулона

Урок физики в 8 классе
.
Электрический заряд. Электризация.
Закон сохранения заряда. Закон Кулона
План лекции
1.Что изучает электродинамика?
2.Что изучает электростатика?
3. Строение атома. Что такое ион?
4. Электризация.
5. Что такое электрический заряд? Два рода зарядов.
Взаимодействие зарядов.
6. Элементарный заряд.
7. Делимость электрического заряда.
8. Закон сохранения заряда.
9. Опыты Кулона. Закон Кулона.
Электродинамика – раздел физики,
изучающий законы взаимодействия
электрических зарядов и действия на них
электромагнитных полей.
Электростатика — раздел электродинамики,
изучающий взаимодействие покоящихся
электрических зарядов и действия на них
электромагнитных полей.
Строение атома:
Положительное ядро, вокруг которого вращаются
отрицательные электроны.
Заряд протона равен заряду электрона по величине.
В обычных условиях тело нейтрально.
Ион
Заряд тела положителен (+) — это значит, что не
хватает электронов.
Атом с недостатком электронов — положительный
ион.
Заряд тела отрицателен (-) — это значит, что избыток
электронов.
Атом с избытком электронов — отрицательный ион.
В V в. до н.э. люди заметили (Фалес?), что пылинки
притягиваются к натертому янтарю (электричество
от греч. «электрон» — янтарь).
Электризация
Тело, обладающее свойством притягивать к себе
легкие тела, благодаря наличию на нем
электрического заряда, называют
наэлектризованным. Явление возникновения
зарядов на телах называют электризацией.
Электризация — процесс сообщения телу электрического
заряда.
1. Электризация трением, ударом. Электроны переходят от
тела В к телу А.
2. Электризация через влияние (по индукции).
Например, подносим заряженную палочку к телу,
не дотрагиваясь до него, а затем разделяем тела на
две части. Обе половины будут заряжены
противоположно.
Электрический заряд.
-физическая величина, являющаяся количественной
мерой электромагнитного взаимодействия. Тело
обладает электрическим зарядом, если мы знаем, что
при определенных условиях оно может притягиваться
и отталкиваться.
Существует два «рода» зарядов, которые условно
называют положительными (стекло, потертое о шелк)
и отрицательными (эбонит потертый о шерсть).
Обозначение: Q или q.
Единицы измерения в СИ: q = Кл 1 (кулон).
(1 Кл — это заряд, проходящий через поперечное
сечение проводника за 1 с при силе тока 1 А).
Заряд 1 Кл — очень большой в электростатике.
Обычные заряды мкКл, нКл.
(Заряд грозового облака 10 20 Кл, в отдельных
случаях — до 300 Кл.
Земля имеет отрицательный
заряд, равный 5,7.105Кл.)
Модуль заряда тела определяется по формуле:
Q= n ∙ e
где е = 1,6 × 10-19Кл — элементарный заряд,
n-количество избыточных (недостающих)
электронов.
Два рода зарядов
Приборы для обнаружения заряда:
электроскоп, электрометр
В своих опытах доказали существование наименьшего
электрического заряда
Милликен
Роберт Эндрюс
(1868-1953)
Иоффе
Абрам Федорович
(1880-1960)
Электрон – частица с наименьшим
отрицательным зарядом.
-31
m=9,1*10
кг
Опыт Иоффе-Милликена.
Цель опыта: обнаружить элементарный
электрический заряд.
Опыт:
Маленькая капелька масла облучается светом
(ультрафиолетовыми лучами). В результате фотоэффекта она
приобретает электрический заряд. Сила тяжести
уравновешивается электрической силой. По результатам опыта
можно рассчитать отношение заряда частицы, выбиваемой с
поверхности тела, к ее массе (удельный заряд).
Делимость заряда!
q
e
11 Кл
1,76 10
m me
кг
— удельный заряд электрона.
Величина «е» — элементарный заряд. В СИ е=1,6.10-19 Кл
Такой заряд имеет электрон (-), протон (+), другие
заряженные элементарные частицы.
Любой электрический заряд, больший элементарного,
выражается целым числом элементарных зарядов. Не
существует (в рамках классической электродинамики)
заряда, выраженного дробным числом элементарных
зарядов. Т.е. q=Ne.
Закон сохранения электрического заряда.
Алгебраическая сумма зарядов, составляющих
замкнутую систему, остается неизменной при
любых взаимодействиях зарядов этой системы.
N
1
q q1 q 2 q 3 q 4 … const
Систему называют изолированной или замкнутой, если в нее не вводятся или из
нее не выводятся электрические заряды.
В телах заряды скомпенсированы очень точно. Если бы в теле человека
зарядов одного знака было бы на 0,01% больше, чем зарядов другого, о
сила взаимодействия между ними была бы равна силе притяжения
между Землей и Солнцем.
Если Вселенная имеет конечные размеры, то ее суммарный заряд
должен быть равен нулю.
Примеры выполнения закона сохранения заряда:
1.Заряженная капля делится на две равные капли.
2.Соединение двух заряженных капель.
Примеры выполнения закона сохранения заряда:
3. Соприкосновение заряженных шариков.
4. Ядерные реакции:
14
4
17
1
7 N 2 He 8 O 1H
238
234
U
92
90Th
4
2 He
7+2=8+1
92 = 90 + 2
Как взаимодействуют заряженные тела?
Мы можем наблюдать, что заряженные тела
взаимодействуют (притягиваются или отталкиваются),
находясь на некотором расстоянии друг от друга.
Взаимодействие неподвижных зарядов, находящихся на
некотором расстоянии друг от друга, осуществляется
посредством электрического поля, порожденного зарядами.
Это взаимодействие происходит не мгновенно, а
распространяется в вакууме со скоростью с.
Перенос заряда с заряженного тела на электрометр.
Электрометр является достаточно
грубым прибором; он не позволяет
исследовать силы взаимодействия
зарядов. Впервые закон
взаимодействия неподвижных зарядов
был установлен французским физиком
Ш. Кулоном (1785 г.). В своих опытах
Кулон измерял силы притяжения и
отталкивания заряженных шариков
с помощью сконструированного им
прибора – крутильных весов.
Закон Кулона
Сила взаимодействия двух
точечных
неподвижных
зарядов в вакууме прямо
пропорциональна
произведению модулей этих
зарядов
и
обратно
пропорциональна квадрату
расстояния между зарядами.
где ε0 = 8,854 ∙ 10 -12
электрическая постоянная,
k = 9 ∙ 109
Домашнее задание
§ 85 — 90,
Упр. 10, № 2, 3
Источники информации
1. Физика 10, Г.Я.Мякишев, Б.Б. Буховцев, Н.Н. Сотский, М.
«Просвещение», 2006 г.
2. Молекулярная физика и электродинамика в опорных конспектах и
тестах, Г.Д.Луппов, М, «Просвещение», 1992.
3. www.fizika.ru
4. http://class-fizika.narod.ru/vid.htm
5. http://fizika-vnutri-nas.narod.ru/index.html
6. http://76202s015.edusite.ru/p36aa1.html
7. http://college.ru/physics/
8. http://metodist.i1.ru/ — Методист.ru

Электростатика: бесконтактная сила

Эта фокусная идея исследуется через:

Противопоставление студенческих и научных взглядов

Студенческий повседневный опыт

У студентов есть много опыта, такого как правильная установка батарей в устройства и «подзарядка» батарей, которые «разряжены», что побуждает учащихся конструировать значения этих терминов. Эти значения часто очень тесно связаны с конкретными переживаниями.

Многие учащиеся испытали небольшие, но запоминающиеся удары электрическим током в результате «статического электричества» при выходе из машины в теплый сухой день или намеренно царапали обувью синтетический ковер и касались металлической дверной ручки или друг друга.Некоторые учащиеся также играли с использованием «статического электричества», чтобы притягивать или отталкивать очень легкие предметы, например собирание маленьких кусочков бумаги или притягивание волос натертой пластиковой расческой или линейкой.

Учащиеся часто не связывают события, связанные с получением удара электрическим током (например, игра на батутном коврике), с аналогичными событиями, связанными со статическим электрическим притяжением (например, наблюдение за прилипшей одеждой, выходящей из сушильной машины, или сахарными крупинками, которые притягиваются к внутреннюю поверхность пластикового контейнера при встряхивании).Для младших школьников эти события не связаны общим представлением об их «электростатическом» происхождении, и ученик не может сделать эту связь без поощрения.

Понятно, что многие младшие школьники не видят необходимости различать электростатические силы и магнитные силы. Для них это кажется обычным переживанием одной и той же бесконтактной силы. Например, воздушный шар, «натертый» тканью, в результате чего он притягивается к потолку, часто сбивчиво описывается учащимися (и некоторыми взрослыми) как «намагниченный» каким-то образом.

Для многих студентов драматическое наблюдение разряда молнии является одним из самых запоминающихся переживаний «видения» эффектов движения больших количеств электрического заряда, хотя этот опыт часто ошибочно приписывают другим явлениям.

Исследования: Benseghir & Closset (1996), Guisasola (1995), Harrington (1999), Henriques (2000), McIntyre (1974), Park, Kim, Kim & Lee (2001), Seroglou, Koumaras & Tselfes (1998)

Научный взгляд

Притяжение и отталкивание электрических зарядов — одна из трех фундаментальных бесконтактных сил в природе.Остальные — это магнетизм и сила гравитации (см. основную идею Силы без контакта).

Есть только два различных типа известных зарядов, которые ученые обозначили как «положительные» и «отрицательные». Эти имена были выбраны исторически, чтобы показать, что они каким-то образом «противоположны» друг другу, чтобы подчеркнуть две различные наблюдаемые формы. Ученые не знают точно, что такое заряд или чем два вида заряда отличаются друг от друга; однако каждый воздействует на себя и на свою противоположную форму.

Объекты с положительным и отрицательным зарядом притягиваются или притягиваются друг к другу, а объекты с одинаковым зарядом (2 положительно или 2 отрицательно) отталкиваются или отталкиваются друг от друга. Заряженным объектам не нужно соприкасаться, чтобы между ними возникали силы отталкивания или притяжения; то есть можно наблюдать, как они влияют друг на друга на коротких расстояниях и без необходимости в каком-либо промежуточном веществе, например. воздух.

Когда предмет, сделанный из хорошего электрического изолятора, такого как пластик или стекло, энергично трется о другой гибкий электрический изолятор, сделанный из меха, хлопка или шерсти, заряд одного типа может перемещаться с поверхности одного изолятора на поверхность другого другой.На рис. 1 ниже перед трением каждый элемент электрически балансируется. На рис. 2 ниже после трения пластиковая линейка стала отрицательно заряженной, а хлопок заряжен положительно. Трение не создает зарядов, а перераспределяет заряд между двумя объектами. Вследствие их разного общего заряда две разделенные поверхности будут притягиваться друг к другу.

Заряженные объекты могут быть созданы с использованием методов, альтернативных трению или скольжению, но во всех случаях требуется, чтобы две поверхности находились в тесном контакте, а затем разделялись.Другими примерами являются разделение двух пластиковых листов или удаление клейкой ленты со стеклянного листа. Заряженные объекты также будут влиять на все другие небольшие «незаряженные» объекты, чтобы они стали частично противоположно заряженными, когда они приближаются к ним. Это вызывает их влечение друг к другу. Например, заряженный гребень будет притягивать мелкие предметы, такие как крупинки сахара, если приблизить их к себе. Если крупинки сахара соприкоснутся с сотами, то через некоторое время некоторые из крупинок приобретут такой же заряд, что и соты, и будут быстро отталкиваться.

Количество заряда на поверхности любого объекта со временем будет медленно уменьшаться, поскольку заряд в конечном итоге уносится водяным паром в окружающем воздухе. Например, заряженный воздушный шар в конечном итоге упадет с потолка, когда его заряд уменьшится.

Естественные проявления движения заряда, такие как молнии, чаще всего происходят в грозовых облаках и реже над извергающимися вулканами или во время пыльных бурь. В грозовых облаках заряд перераспределяется неравномерно (часть будет положительной, часть отрицательной).Этот дисбаланс может увеличиваться до такой степени, что воздух становится проводником, и дисбаланс уменьшается быстрой искрой внутри облака или на Земле. Это вспышка молнии, которую мы видим. Гром, который мы часто слышим, является результатом того, что эта мощная искра быстро нагревает воздух.

Ученые все еще пытаются выяснить, почему в грозовых облаках создается дисбаланс заряда.

См. веб-сайты, перечисленные в Раздел дополнительных ресурсов для получения дополнительной информации.

Критические идеи обучения

  • Электростатические силы являются бесконтактными силами; они тянут или толкают предметы, не касаясь их.
  • При трении некоторых материалов друг о друга может произойти перенос так называемого «заряда» с одной поверхности на другую.
  • Заряженные объекты притягивают другие незаряженные объекты и могут толкать или тянуть другие заряженные объекты.
  • Существует два вида оплаты; ученые не знают точно, что такое заряд или чем отличаются два вида заряда; они называют эти два вида «позитивными» и «негативными».
  • Молния возникает в результате быстрого движения зарядов в грозовых облаках.

Исследуйте взаимосвязь между представлениями о заряде и неконтактных силах в Карты развития концепций – Электричество и магнетизм

На этом уровне основное внимание должно быть уделено поощрению учащихся к наблюдению и исследованию электростатических явлений в игровой форме, что ведет к выработке простых объяснений наблюдаемого притяжения и отталкивания заряженных объектов. Учащихся следует поощрять различать электростатические силы и магнитные силы как разные примеры бесконтактных сил.

Включение действий, связанных с растиранием два одинаковых пластиковых предмета из одного и того же материала важны, так как только в этих случаях вы можете видеть, как два предмета с одинаковым зарядом отталкивают друг друга, как проявление отталкивания одинаковых зарядов.

Основная идея, которую должны понять учащиеся, заключается в том, что электростатические силы являются бесконтактными силами; на этом уровне не важно подчеркивать учащимся, что «одинаковые заряды отталкиваются, а разные — притягиваются».Более уместно продемонстрировать, что заряженные объекты притягивают незаряженные объекты и могут либо притягивать, либо отталкивать другие заряженные объекты.

Постарайтесь сосредоточить внимание учащихся на повседневных «электростатических» переживаниях. Обычно это связано с тем, что один объект заряжается при трении, а другой — нет. Обычно используются натертые пластиковые расчески и линейки, притягивающие кусочки бумаги, но студенческие исследования не должны ограничиваться только ими.

Идеи, которые учащиеся привнесут в эту область, разнообразны и в большинстве своем не очень сильны.Использование демонстраций и просьба к учащимся предсказать, что может произойти, обычно являются сильными подходами к выявлению существующих представлений учащихся об электростатике на этом уровне.

Исследование: Guisasola (1995), McIntyr​e (1974)

Преподавательская деятельность

Когда в воздухе много влаги (например, когда погода влажная и/или идет дождь), очень трудно создать электростатический эффект и испытать описанные результаты. Планируйте выполнять эти действия, когда погодные условия будут теплыми и сухими.

Открытое обсуждение через обмен опытом

Рассмотрите возможность использования действия Predict-Observe-Explain, чтобы вызвать обсуждение. В тихой теплой комнате полностью надуйте круглый воздушный шар и подвесьте его к потолку или ферме крыши, используя длинную нейлоновую нить (или тонкую леску).

Теперь потрите воздушный шар куском шерсти/синтетики или джемпером, чтобы он заряжен. Попросите учащихся спрогнозировать, что произойдет, если вы поднесете материал или джемпер, которым вы его протирали, близко к воздушному шару.

Натирающий материал будет иметь заряд, отличный от заряда воздушного шара, поскольку заряд перемещается от одного объекта к другому. Воздушный шар и натирающий материал должны притягиваться друг к другу, демонстрируя силу притяжения.

Теперь добавьте еще один шарик так, чтобы он висел рядом с первым. Еще раз протрите каждый шарик тем же куском шерсти/синтетики или джемпером, который вы носите. Теперь они должны стать одинаково заряженными. Отойдите подальше, и вы и ученики увидите, как два воздушных шара расходятся, пытаясь отталкиваться друг от друга.

Предложите учащимся предсказать, произойдут ли изменения с течением времени. Изменится ли положение воздушных шаров? Студент должен понять, что воздушные шары будут медленно терять заряд и сближаться по мере уменьшения заряда со временем.

Бросьте вызов существующим мнениям учащихся

Снова используйте надутый воздушный шар, подвесьте его, как и раньше, на отрезке тонкого хлопка или лески. Ни в коем случае не пытайтесь тереть или заряжать баллон. Теперь попросите учащихся предсказать, что произойдет, если вы поднесете стержневой магнит к воздушному шару.

Полезно принимать любые предложения о различных способах поднесения магнита к воздушному шару (например, «Попробуйте перевернуть магнит», «Держите его плоско возле воздушного шара»). Вполне вероятно, что многие студенты предсказывают, что воздушный шар и магнит будут притягиваться (и поэтому, вероятно, захотят попробовать магнит рядом с воздушным шаром разными способами, когда впервые не увидят никакого эффекта). Однако очень немногие студенты будут иметь какие-либо основания для поддержки этого предсказания — для большинства студентов предсказано притяжение, потому что они никогда не различали магнитные и электростатические силы.Не используйте заряженный воздушный шар, потому что он будет притягиваться к большинству незаряженных объектов, и это может ошибочно подтвердить предсказания учащегося.

Предложите открытую проблему, которую можно исследовать в игре или путем решения задач.

Дайте воздушный шар каждому члену класса. Попросите учеников сделать так, чтобы их воздушный шар как можно дольше оставался притянутым к потолку. Студенты должны будут надуть и зарядить свой воздушный шар, выбрав один из нескольких синтетических материалов, предназначенных для этой цели.Вы можете предложить учащимся измерять секундомером время до момента падения воздушных шаров.

Предложите учащимся подумать о следующем, чтобы добиться успеха:

  • Насколько большим должен быть воздушный шар? Будет ли это иметь значение?
  • Какой материал следует использовать для протирания (зарядки) своего воздушного шара?
  • Как долго они должны пытаться потереть или зарядить воздушный шар перед своей попыткой?
  • Какую форму шарика выбрать – круглую или колбаску? Будет ли это иметь значение?

Подходы к этой деятельности могут быть разными.Студенты могут поиграть с материалами и обсудить свой опыт позже. Им также можно предложить выбрать один вопрос и систематически изучить его.

Предоставить учащимся ряд синтетических и натуральных материалов, таких как обрезки меха и хлопка, для выбора и опробования. Подумайте также об использовании воздушных шаров в форме круглых и колбасных изделий.

Открытое обсуждение через обмен опытом

Еще одна демонстрация, которая продемонстрирует тот же эффект, что и воздушные шары, требует двух прозрачных пластиковых линеек и небольшой пластиковой бутылки (вода или безалкогольный напиток – бутылка с крышкой шириной 2-3 сантиметра). .Потрите одну линейку шерстью (если вы носите шерстяной джемпер, очень эффективно быстро потрите линейку под мышкой) и сбалансируйте ее на крышке бутылки. Теперь потрите другую линейку и поднесите натертый конец второй линейки к натертому концу первой линейки. Вы увидите, как линейка на бутылке с напитком отклоняется от второй линейки, потому что две линейки одинаково заряжены и отталкивают друг друга. Если поднести противоположно заряженную «натертую» шерсть к одной из линеек, они притянутся друг к другу.

Одним из способов стимулирования обсуждения может быть демонстрация этого упражнения, а затем побуждение учащихся найти связь с упражнением, включающим зарядку двух воздушных шаров, описанных выше.

Обратите внимание учащихся на упущенную из виду деталь

Соберите множество простых предметов домашнего обихода, в которых можно увидеть действие электростатических сил. Их можно изучить в классе с небольшими группами учащихся.

Примеры предметов домашнего обихода могут включать:

  • ряд пластиковых бутылок, содержащих небольшое количество легких предметов, таких как сотни и тысячи украшений для тортов, мелкие сухие сахарные крупинки, шелуха подорожника или воздушный рис.Предложите учащимся встряхнуть контейнеры, в результате чего содержимое зарядится, когда они коснутся внутренних стенок контейнера, к которому их притягивает.
  • ряд пластиковых бутылок, содержащих небольшое количество легких предметов, таких как сотни и тысячи украшений для тортов, мелкие сухие сахарные зерна, шелуха подорожника или воздушный рис. Предложите учащимся встряхнуть контейнеры, в результате чего содержимое зарядится, когда они коснутся внутренних стенок контейнера, к которому их притягивает.

Уточнение и закрепление идей для общения с другими

После исследования учащимися предметов домашнего обихода их можно попросить сообщить классу о своих выводах. Это можно сделать с помощью коротких презентаций, в которых указывается любое связанное с этим наблюдение электростатических сил в действии. Исследование можно расширить, включив в него студентов, которые пишут короткие предложения, описывающие то, что они наблюдают, и рисуют помеченные диаграммы предметов и наблюдаемых эффектов.Учащихся можно попросить найти примеры электростатического опыта дома, которыми можно поделиться в школе. Может быть полезно, если учащиеся принесут фотографии или рисунки, которыми они могли бы поделиться.

Электрический заряд – University Physics Volume 2

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете:

  • Описать концепцию электрического заряда
  • Качественно объясните силу, которую создает электрический заряд

Вы наверняка знакомы с электронными устройствами, которые активируются нажатием переключателя, от компьютеров до сотовых телефонов и телевизоров.И вы наверняка видели электричество во вспышке молнии во время сильной грозы. Но вы также, скорее всего, испытывали электрические эффекты другими способами, возможно, не осознавая, что была задействована электрическая сила. Давайте взглянем на некоторые из этих действий и посмотрим, что мы можем узнать из них об электрических зарядах и силах.

Открытия

Вы, вероятно, сталкивались с явлением статического электричества: когда вы впервые достаете одежду из сушилки, многие (не все) вещи склонны слипаться; для некоторых тканей их может быть очень трудно разделить.Другой пример возникает, если вы быстро снимаете шерстяной свитер — вы можете почувствовать (и услышать), как статическое электричество притягивает вашу одежду и, возможно, даже ваши волосы. Если вы расчешите волосы в сухой день, а затем поднесете расческу к тонкой струе воды, выходящей из крана, вы обнаружите, что струя воды изгибается (притягивается) к расческе ((Рисунок)).

Гребень с электрическим зарядом притягивает струю воды издалека. Обратите внимание, что вода не касается гребенки. (кредит: Джейн Уитни)

Предположим, вы подносите расческу к небольшим полоскам бумаги; полоски бумаги притягиваются к расческе и даже цепляются за нее ((рисунок)).На кухне быстро стяните рулон пищевой пленки; он имеет тенденцию прилипать к большинству любых неметаллических материалов (таких как пластик, стекло или продукты питания). Если потереть воздушный шар о стену в течение нескольких секунд, он прилипнет к стене. Вероятно, наиболее раздражающим эффектом статического электричества является удар током дверной ручки (или друга) после того, как вы шаркаете ногами по некоторым видам коврового покрытия.

После расчесывания волос эта расческа притягивает маленькие полоски бумаги на расстоянии, без физического контакта.Исследование этого поведения помогло привести к концепции электрической силы. (кредит: Джейн Уитни)

Многие из этих явлений известны на протяжении столетий. Древнегреческий философ Фалес Милетский (624–546 гг. до н. э.) записал, что, когда янтарь (твердая полупрозрачная окаменевшая смола вымерших деревьев) энергично терся о кусок меха, создавалась сила, которая заставляла мех и янтарь соприкасаться. притягиваться друг к другу ((Рисунок)). Кроме того, он обнаружил, что натертый янтарь не только притягивает мех, а мех притягивает янтарь, но они оба могут воздействовать на другие (неметаллические) объекты, даже если они не соприкасаются с этими объектами ((Рисунок)).

Янтарь

Борнео добывается в штате Сабах, Малайзия, из сланцево-песчано-аргиллитовых жил. Когда кусок янтаря трется о кусок меха, янтарь получает больше электронов, придавая ему суммарный отрицательный заряд. При этом мех, потеряв электроны, становится положительно заряженным. (кредит: «Себакоамбер»/Wikimedia Commons)

Когда материалы трутся друг о друга, заряды могут быть разделены, особенно если один материал имеет большее сродство к электронам, чем другой.а) Янтарь и ткань изначально нейтральны, имеют одинаковые положительные и отрицательные заряды. Задействована лишь малая часть зарядов, и здесь показаны только некоторые из них. (b) При трении янтарь переносит некоторый отрицательный заряд, оставляя ткань с чистым положительным зарядом. (c) При разделении янтарь и ткань теперь имеют суммарные заряды, но абсолютное значение суммарных положительных и отрицательных зарядов будет равным.

Английский физик Уильям Гилберт (1544–1603) также изучал эту силу притяжения, используя различные вещества.Он работал с янтарем, а кроме того, экспериментировал с горным хрусталем и различными драгоценными и полудрагоценными камнями. Он также экспериментировал с несколькими металлами. Он обнаружил, что металлы никогда не проявляли такой силы, в отличие от минералов. Более того, хотя наэлектризованный янтарный жезл притянет кусок меха, он оттолкнет другой наэлектризованный янтарный жезл; точно так же два наэлектризованных куска меха будут отталкивать друг друга.

Это предполагало, что существует два типа электрического свойства; это свойство со временем стало называться электрическим зарядом.Разница между двумя типами электрического заряда заключается в направлениях электрических сил, которые вызывает каждый тип заряда: эти силы являются отталкивающими, когда один и тот же тип заряда существует на двух взаимодействующих объектах, и притягивающими, когда заряды противоположного типа. Единицей электрического заряда в СИ является кулон (Кл) в честь французского физика Шарля-Огюстена де Кулона (1736–1806).

Наиболее своеобразный аспект этой новой силы заключается в том, что она не требует физического контакта между двумя объектами, чтобы вызвать ускорение.Это пример так называемой «дальнодействующей» силы. (Или, как позднее выразился Альберт Эйнштейн, «действие на расстоянии».) За исключением гравитации, все другие силы, которые мы обсуждали до сих пор, действуют только тогда, когда два взаимодействующих объекта действительно соприкасаются.

Американский физик и государственный деятель Бенджамин Франклин обнаружил, что может концентрировать заряд в «лейденской банке», которая по сути представляла собой стеклянную банку с двумя листами металлической фольги, один внутри и один снаружи, со стеклом между ними ((Рисунок)) .Это создавало большую электрическую силу между двумя листами фольги.

Лейденская банка (ранняя версия того, что сейчас называется конденсатором) позволяла экспериментаторам накапливать большое количество электрического заряда. Бенджамин Франклин использовал такую ​​банку, чтобы продемонстрировать, что молния ведет себя точно так же, как электричество, которое он получал от оборудования в своей лаборатории.

Франклин указал, что наблюдаемое поведение можно объяснить, если предположить, что один из двух типов заряда остается неподвижным, в то время как другой тип заряда перетекает с одного куска фольги на другой.Далее он предложил называть избыток того, что он назвал «электрическим флюидом», «положительным электричеством», а его недостаток — «отрицательным электричеством». Его предложение, с некоторыми незначительными изменениями, является моделью, которую мы используем сегодня. (С экспериментами, которые он смог провести, это была чистая догадка; у него не было возможности определить знак движущегося заряда. К сожалению, он ошибся; теперь мы знаем, что движущиеся заряды — это те заряды, которые Франклин назвал отрицательные, а положительные заряды остаются в основном неподвижными.К счастью, как мы увидим, не имеет практического или теоретического значения, какой выбор мы делаем, пока мы остаемся последовательными в своем выборе.)

Давайте перечислим конкретные наблюдения этой электрической силы, которые у нас есть:

  • Сила действует без физического контакта между двумя объектами.
  • Сила может быть как притягивающей, так и отталкивающей: если два взаимодействующих объекта имеют одинаковый знак заряда, сила отталкивающая; если заряды противоположного знака, сила притяжения.Эти взаимодействия называются электростатическим отталкиванием и электростатическим притяжением соответственно.
  • Не на все объекты действует эта сила.
  • Величина силы уменьшается (быстро) с увеличением расстояния между объектами.

Точнее, экспериментально мы находим, что величина силы уменьшается по мере увеличения квадрата расстояния между двумя взаимодействующими объектами. Так, например, когда расстояние между двумя взаимодействующими объектами удваивается, сила между ними уменьшается в четыре раза по сравнению с исходной системой.Мы также можем заметить, что окружение заряженных объектов влияет на величину силы. Однако мы рассмотрим этот вопрос в следующей главе.

Свойства электрического заряда

В дополнение к существованию двух типов заряда было обнаружено несколько других свойств заряда.

  • Заряд квантуется. Это означает, что электрический заряд поступает дискретно, и существует наименьшее возможное количество заряда, которое может иметь объект.В системе СИ эта наименьшая сумма равна . Никакая свободная частица не может иметь меньше заряда, чем это, и, следовательно, заряд любого объекта — заряд всех объектов — должен быть целым числом, кратным этой сумме. Все макроскопические заряженные объекты имеют заряд, потому что электроны либо присоединяются к ним, либо отнимаются от них, что приводит к суммарному заряду.
  • Величина заряда не зависит от типа. Другими словами, наименьший возможный положительный заряд (до четырех значащих цифр) равен , а наименьший возможный отрицательный заряд равен ; эти значения точно равны.Просто так проявились законы физики в нашей Вселенной.
  • Заряд сохраняется. Заряд нельзя ни создать, ни уничтожить; его можно только переносить с места на место, с одного предмета на другой. Часто мы говорим об «отмене» двух сборов; это словесная стенограмма. Это означает, что если два объекта с одинаковыми и противоположными зарядами физически близки друг к другу, то (противонаправленные) силы, которые они прикладывают к какому-либо другому заряженному объекту, компенсируются, так что результирующая сила равна нулю.Однако важно, чтобы вы понимали, что заряды на объектах ни в коем случае не исчезают. Чистый заряд Вселенной постоянен.
  • Заряд сохраняется в закрытых системах. В принципе, если отрицательный заряд исчезнет с вашего лабораторного стола и снова появится на Луне, закон сохранения заряда все равно сохранится. Однако этого никогда не происходит. Если общий заряд вашей локальной системы на лабораторном столе меняется, будет измеримый поток заряда в систему или из нее.Опять же, заряды могут перемещаться и действительно перемещаются, а их эффекты могут и отменяются, но чистый заряд в вашем локальном окружении (если он закрыт) сохраняется. Последние два пункта называются законом сохранения заряда.

Источник зарядов: структура атома

Как только стало ясно, что вся материя состоит из частиц, которые стали называть атомами, также быстро стало ясно, что в состав атома входят как положительно заряженные, так и отрицательно заряженные частицы.Следующий вопрос заключался в том, каковы физические свойства этих электрически заряженных частиц?

Отрицательно заряженная частица была открыта первой. В 1897 году английский физик Дж. Дж. Томсон изучал то, что тогда было известно как катодные лучи . За несколько лет до этого английский физик Уильям Крукс показал, что эти «лучи» заряжены отрицательно, но его эксперименты не могли сказать больше. (Тот факт, что они несли отрицательный электрический заряд, убедительно доказывал, что это вовсе не лучи, а частицы.) Томсон подготовил чистый пучок этих частиц и отправил их через скрещенные электрические и магнитные поля, регулируя различные значения напряженности поля до тех пор, пока результирующее отклонение луча не стало равным нулю. С помощью этого эксперимента он смог определить отношение заряда к массе частицы. Это соотношение показало, что масса частицы была намного меньше, чем у любой другой ранее известной частицы — фактически в 1837 раз меньше. В конце концов эту частицу стали называть электроном.

Поскольку атом в целом электрически нейтрален, следующий вопрос заключался в том, чтобы определить, как положительные и отрицательные заряды распределяются внутри атома.Сам Томсон воображал, что его электроны заключены в нечто вроде положительно заряженной пасты, размазанной по всему объему атома. Однако в 1908 году новозеландский физик Эрнест Резерфорд показал, что положительные заряды атома существуют внутри крошечного ядра, называемого ядром, которое занимает лишь очень малую часть общего объема атома, но содержит более 99% заряда. массы. (См. Линейный импульс и столкновения.) Кроме того, он показал, что отрицательно заряженные электроны постоянно вращаются вокруг этого ядра, образуя своего рода электрически заряженное облако, окружающее ядро ​​((Рисунок)).Резерфорд пришел к выводу, что ядро ​​состоит из маленьких массивных частиц, которые он назвал протоном s .

Эта упрощенная модель атома водорода показывает положительно заряженное ядро ​​(состоящее, в случае водорода, из одного протона), окруженное электронным «облаком». Заряд электронного облака равен (и противоположен по знаку) заряду ядра, но электрон не имеет определенного положения в пространстве; следовательно, его представление здесь в виде облака.Нормальные макроскопические количества материи содержат огромное количество атомов и молекул и, следовательно, еще большее количество отдельных отрицательных и положительных зарядов.

Поскольку было известно, что разные атомы имеют разную массу и что обычно атомы электрически нейтральны, было естественно предположить, что разные атомы имеют разное число протонов в ядре с одинаковым числом отрицательно заряженных электронов, вращающихся вокруг положительно заряженных электронов. ядра, что делает атомы в целом электрически нейтральными.Однако вскоре было обнаружено, что хотя самый легкий атом, водород, действительно имеет один протон в качестве ядра, следующий по тяжести атом — гелий — имеет в два раза больше протонов (два), но в 90 231 четыре раза больше массы водорода в 90 232 раз. .

Эта загадка была разрешена в 1932 году английским физиком Джеймсом Чедвиком с открытием нейтрона. Нейтрон, по сути, является электрически нейтральным близнецом протона, без электрического заряда, но (почти) с такой же массой, что и протон.Таким образом, ядро ​​гелия имеет два нейтрона вместе с двумя протонами. (Более поздние эксперименты должны были показать, что, хотя нейтрон в целом электрически нейтрален, он имеет внутренний заряд 90 231 структуры 90 232 . масса нейтрона очень немного больше, чем масса протона.Этот небольшой избыток массы оказался очень важным.Это, однако, история, которую придется подождать до нашего изучения современной физики в ядерной физике.)

Таким образом, в 1932 г. атом представлял собой маленькое массивное ядро, состоящее из комбинации протонов и нейтронов, окруженное скоплением электронов, совместное движение которых образовывало вокруг ядра своего рода отрицательно заряженное «облако» (( Фигура)). В электрически нейтральном атоме общий отрицательный заряд совокупности электронов равен общему положительному заряду ядра. Электроны с очень малой массой могут быть более или менее легко удалены или добавлены к атому, изменяя суммарный заряд атома (хотя и не меняя его типа).Атом, заряд которого изменился таким образом, называется ионом. У положительных ионов были удалены электроны, тогда как у отрицательных ионов были добавлены лишние электроны. Мы также используем этот термин для описания молекул, которые не являются электрически нейтральными.

Ядро атома углерода состоит из шести протонов и шести нейтронов. Как и в водороде, окружающие шесть электронов не имеют определенного местоположения, и поэтому их можно рассматривать как своего рода облако, окружающее ядро.

Однако история атома на этом не заканчивается.Во второй половине двадцатого века в ядре атома было обнаружено гораздо больше субатомных частиц: среди прочих пионов, нейтрино и кварков. За исключением фотона, ни одна из этих частиц не имеет прямого отношения к изучению электромагнетизма, поэтому мы отложим их дальнейшее обсуждение до главы о физике элементарных частиц (Физика элементарных частиц и космология).

Примечание по терминологии

Как отмечалось ранее, электрический заряд — это свойство, которым может обладать объект.Это похоже на то, как объект может иметь свойство, которое мы называем массой, свойство, которое мы называем плотностью, свойство, которое мы называем температурой, и так далее. Технически мы всегда должны говорить что-то вроде: «Предположим, у нас есть частица, несущая заряд». Однако очень часто вместо этого говорят: «Предположим, у нас есть заряд». Точно так же мы часто говорим что-то вроде «Шесть зарядов расположены в вершинах правильного шестиугольника». Заряд — это не частица; скорее, это свойство частицы.Тем не менее, эта терминология чрезвычайно распространена (и часто используется в этой книге, как и везде). Итак, держите в уме, что мы на самом деле имеем в виду, когда говорим о «заряде».

Резюме

  • Есть только два типа заряда, которые мы называем положительными и отрицательными. Одноименные заряды отталкиваются, разноименные притягиваются, и сила между зарядами уменьшается пропорционально квадрату расстояния.
  • Подавляющее большинство положительного заряда в природе переносится протонами, тогда как подавляющее большинство отрицательного заряда переносится электронами.Электрический заряд одного электрона равен по величине и противоположен по знаку заряду одного протона.
  • Ион — это атом или молекула, которые имеют ненулевой общий заряд из-за неравного числа электронов и протонов.
  • Единицей заряда в СИ является кулон (Кл), при этом протоны и электроны имеют заряды противоположного знака, но одинаковой величины; величина этого базового заряда равна
  • В нейтральных объектах существуют как положительные, так и отрицательные заряды, и их можно разделить, приведя два объекта в физический контакт; трение объектов друг о друга может удалить электроны из связей в одном объекте и разместить их на другом объекте, увеличивая разделение зарядов.
  • Для макроскопических объектов отрицательно заряженный означает избыток электронов, а положительно заряженный означает истощение электронов.
  • Закон сохранения заряда гласит, что суммарный заряд замкнутой системы постоянен.

Концептуальные вопросы

В большинстве объектов содержится очень большое количество заряженных частиц. Почему же тогда большинство объектов не обладают статическим электричеством?

В основном присутствует одинаковое количество положительных и отрицательных зарядов, что делает объект электрически нейтральным.

Почему большинство объектов, как правило, содержат примерно одинаковое количество положительных и отрицательных зарядов?

Положительно заряженный стержень притягивает небольшой кусочек пробки. а) Можем ли мы заключить, что пробка заряжена отрицательно? б) Стержень отталкивает еще один маленький кусочек пробки. Можем ли мы заключить, что этот кусок заряжен положительно?

Два тела электрически притягиваются друг к другу. Они оба должны быть обвинены? Ответьте на тот же вопрос, если тела отталкиваются друг от друга.

Как бы вы определили, является ли заряд на конкретном стержне положительным или отрицательным?

Возьмите предмет с известным зарядом, положительным или отрицательным, и поднесите его к стержню.Если известный заряженный объект положителен и отталкивается от стержня, стержень заряжается положительно. Если положительно заряженный объект притягивается к стержню, стержень заряжается отрицательно.

Глоссарий

кулон
Единица электрического заряда в СИ
электрический заряд
физическое свойство объекта, которое заставляет его притягиваться к другому заряженному объекту или отталкиваться от него; каждый заряженный объект генерирует и подвергается воздействию силы, называемой электрической силой 90 306.
электрическая сила
бесконтактная сила, наблюдаемая между электрически заряженными объектами
электрон
частица, окружающая ядро ​​атома и несущая наименьшую единицу отрицательного заряда
электростатическое притяжение
явление притяжения двух тел с противоположными зарядами
электростатическое отталкивание
явление отталкивания двух объектов с одинаковыми зарядами
ион
атом или молекула с большим или меньшим количеством электронов, чем у протонов
закон сохранения заряда
чистый электрический заряд замкнутой системы постоянен
нейтрон
нейтральная частица в ядре атома с массой (почти) такой же, как у протона
протон
частица в ядре атома, несущая положительный заряд, равный по величине количеству отрицательного заряда, переносимого электроном
статическое электричество
накопление электрического заряда на поверхности объекта; расположение заряда остается постоянным («статическим»)

1.1 Электрический заряд – Введение в электричество, магнетизм и электрические цепи

ЦЕЛИ ОБУЧЕНИЯ

К концу этого раздела вы сможете:

  • Описать концепцию электрического заряда
  • Качественно объясните силу, которую создает электрический заряд

Вы наверняка знакомы с электронными устройствами, которые активируются нажатием переключателя, от компьютеров до сотовых телефонов и телевизоров. И вы наверняка видели электричество во вспышке молнии во время сильной грозы.Но вы также, скорее всего, испытывали электрические эффекты другими способами, возможно, не осознавая, что была задействована электрическая сила. Давайте взглянем на некоторые из этих действий и посмотрим, что мы можем узнать из них об электрических зарядах и силах.

Открытия

Вероятно, вы сталкивались с явлением  статического электричества : когда вы впервые достаете одежду из сушилки, многие (не все) вещи склонны слипаться; для некоторых тканей их может быть очень трудно разделить.Другой пример возникает, если вы быстро снимаете шерстяной свитер — вы можете почувствовать (и услышать), как статическое электричество притягивает вашу одежду и, возможно, даже ваши волосы. Если вы расчешите волосы в сухой день, а затем поднесете расческу к тонкой струе воды, выходящей из крана, вы обнаружите, что струя воды изгибается (притягивается) к расческе (рис. 1.1.1).

(рис. 1.1.1)  

Рисунок 1.1.1.  Электрически заряженный гребень притягивает струю воды издалека.Обратите внимание, что вода не касается гребенки. (кредит: Джейн Уитни)

Предположим, вы поднесли расческу к небольшим полоскам бумаги; полоски бумаги притягиваются к гребенке и даже цепляются за нее (рис. 1.1.2). На кухне быстро стяните рулон пищевой пленки; он имеет тенденцию прилипать к большинству любых неметаллических материалов (таких как пластик, стекло или продукты питания). Если потереть воздушный шар о стену в течение нескольких секунд, он прилипнет к стене. Вероятно, наиболее раздражающим эффектом статического электричества является удар током дверной ручки (или друга) после того, как вы шаркаете ногами по некоторым видам коврового покрытия.

(рис. 1.1.2)  

Рисунок 1.1.2.  После расчесывания волос эта расческа притягивает небольшие полоски бумаги на расстоянии без физического контакта. Исследование этого поведения помогло привести к концепции электрической силы.

Многие из этих явлений известны на протяжении столетий. Древнегреческий философ Фалес Милетский (624–546 гг. до н. э.) записал, что, когда янтарь (твердая, полупрозрачная, окаменевшая смола вымерших деревьев) энергично терся о кусок меха, создавалась сила, которая вызывала появление меха и янтаря притягиваться друг к другу (рис. 1.1.3). Кроме того, он обнаружил, что натертый янтарь не только притягивает мех, а мех притягивает янтарь, но они оба могут воздействовать на другие (неметаллические) объекты, даже если они не соприкасаются с этими объектами (рис. 1.1.4).

(рис. 1.1.3)  

Рисунок 1.1.3.  Янтарь Борнео добывается в штате Сабах, Малайзия, из сланцево-песчано-аргиллитовых жил. Когда кусок янтаря трется о кусок меха, янтарь получает больше электронов, придавая ему суммарный отрицательный заряд. При этом мех, потеряв электроны, становится положительно заряженным.(кредит: «Себакоамбер»/Wikimedia Commons)

(рис. 1.1.4)  

Рисунок 1.1.4.  Когда материалы трутся друг о друга, заряды могут быть разделены, особенно если один материал имеет большее сродство к электронам, чем другой. а) Янтарь и ткань изначально нейтральны, имеют одинаковые положительные и отрицательные заряды. Задействована лишь малая часть зарядов, и здесь показаны только некоторые из них. (b) При трении янтарь переносит некоторый отрицательный заряд, оставляя ткань с чистым положительным зарядом.(c) При разделении янтарь и ткань теперь имеют суммарные заряды, но абсолютное значение суммарных положительных и отрицательных зарядов будет равным.

Английский физик Уильям Гилберт  (1544–1603) также изучал эту силу притяжения, используя различные вещества. Он работал с янтарем, а кроме того, экспериментировал с горным хрусталем и различными драгоценными и полудрагоценными камнями. Он также экспериментировал с несколькими металлами. Он обнаружил, что металлы никогда не проявляли такой силы, в отличие от минералов.Более того, хотя наэлектризованный янтарный жезл притянет кусок меха, он оттолкнет другой наэлектризованный янтарный жезл; точно так же два наэлектризованных куска меха будут отталкивать друг друга.

Это предполагало, что существует два типа электрического свойства; это свойство со временем стало называться электрический заряд . Разница между двумя типами электрического заряда заключается в направлениях электрических сил, которые вызывает каждый тип заряда: эти силы являются отталкивающими, когда один и тот же тип заряда существует на двух взаимодействующих объектах, и притягивающими, когда заряды противоположного типа.Единицей электрического заряда в системе СИ является кулон (Кл) в честь французского физика Шарля Августина де кулон  (1736–1806).

Наиболее своеобразный аспект этой новой силы заключается в том, что она не требует физического контакта между двумя объектами, чтобы вызвать ускорение. Это пример так называемой «дальнодействующей» силы. (Или, как позднее выразился Альберт Эйнштейн, «действие на расстоянии».) За исключением гравитации, все другие силы, которые мы обсуждали до сих пор, действуют только тогда, когда два взаимодействующих объекта действительно соприкасаются.

Американский физик и государственный деятель Бенджамин Франклин  обнаружил, что он может концентрировать заряд в « лейденской банке », которая по существу представляла собой стеклянную банку с двумя листами металлической фольги, один внутри и один снаружи, со стеклом между ними ( Рисунок 1.1.5). Это создавало большую электрическую силу между двумя листами фольги.

(рис. 1.1.5)  

Рисунок 1.1.5.  Лейденская банка (ранняя версия того, что сейчас называется конденсатором) позволяла экспериментаторам накапливать большое количество электрического заряда.Бенджамин Франклин использовал такую ​​банку, чтобы продемонстрировать, что молния ведет себя точно так же, как электричество, которое он получал от оборудования в своей лаборатории.

Франклин указал, что наблюдаемое поведение можно объяснить, если предположить, что один из двух типов заряда остается неподвижным, в то время как другой тип заряда перетекает с одного куска фольги на другой. Далее он предложил называть избыток того, что он назвал «электрическим флюидом», «положительным электричеством», а его недостаток — «отрицательным электричеством».Его предложение с небольшими изменениями — это модель, которую мы используем сегодня. (С экспериментами, которые он смог провести, это была чистая догадка; у него не было возможности определить знак движущегося заряда. К сожалению, он ошибся; теперь мы знаем, что движущиеся заряды — это те заряды, которые Франклин назвал отрицательные, а положительные заряды остаются в значительной степени неподвижными К счастью, как мы увидим, не имеет практического или теоретического значения, какой выбор мы делаем, пока мы остаемся последовательными в своем выборе.)

Давайте перечислим конкретные наблюдения, которые мы имеем об этой электрической силе :

  • Сила действует без физического контакта между двумя объектами.
  • Сила может быть как притягивающей, так и отталкивающей: если два взаимодействующих объекта имеют одинаковый знак заряда, сила отталкивающая; если заряды противоположного знака, сила притяжения. Эти взаимодействия называются электростатическим отталкиванием и электростатическим притяжением соответственно.
  • Не на все объекты действует эта сила.
  • Величина силы уменьшается (быстро) с увеличением расстояния между объектами.

Точнее, экспериментально мы находим, что величина силы уменьшается по мере увеличения квадрата расстояния между двумя взаимодействующими объектами. Так, например, когда расстояние между двумя взаимодействующими объектами удваивается, сила между ними уменьшается в четыре раза по сравнению с исходной системой.Мы также можем заметить, что окружение заряженных объектов влияет на величину силы. Однако мы рассмотрим этот вопрос в следующей главе.

Свойства электрического заряда

В дополнение к существованию двух типов заряда было обнаружено несколько других свойств заряда.

  • Заряд квантуется.  Это означает, что электрический заряд поступает дискретно, и существует наименьшее возможное количество заряда, которое может иметь объект.В системе СИ это наименьшее количество . Никакая свободная частица не может иметь меньше заряда, чем это, и, следовательно, заряд любого объекта — заряд всех объектов — должен быть целым числом, кратным этой сумме. Все макроскопические заряженные объекты имеют заряд, потому что электроны либо присоединяются к ним, либо отнимаются от них, что приводит к суммарному заряду.
  • Величина заряда не зависит от типа.  Иными словами, наименьший возможный положительный заряд (до четырех значащих цифр) равен , а наименьший возможный отрицательный заряд равен ; эти значения точно равны.Просто так проявились законы физики в нашей Вселенной.
  • Заряд сохраняется.  Заряд нельзя ни создать, ни уничтожить; его можно только переносить с места на место, с одного предмета на другой. Часто мы говорим об «отмене» двух сборов; это словесная стенограмма. Это означает, что если два объекта с одинаковыми и противоположными зарядами физически близки друг к другу, то (противонаправленные) силы, которые они прикладывают к какому-либо другому заряженному объекту, компенсируются, так что результирующая сила равна нулю.Однако важно, чтобы вы понимали, что заряды на объектах ни в коем случае не исчезают. Чистый заряд Вселенной постоянен.
  • Заряд сохраняется в закрытых системах.  В принципе, если отрицательный заряд исчезнет с вашего лабораторного стола и снова появится на Луне, закон сохранения заряда сохранится. Однако этого никогда не происходит. Если общий заряд вашей локальной системы на лабораторном столе меняется, будет измеримый поток заряда в систему или из нее.Опять же, заряды могут перемещаться и действительно перемещаются, а их эффекты могут и отменяются, но чистый заряд в вашем локальном окружении (если он закрыт) сохраняется. Два последних пункта называются законом сохранения заряда .

Источник зарядов: структура атома

Как только стало ясно, что вся материя состоит из частиц, которые стали называть атомами, также быстро стало ясно, что в состав атома входят как положительно заряженные, так и отрицательно заряженные частицы.Следующий вопрос заключался в том, каковы физические свойства этих электрически заряженных частиц?

Отрицательно заряженная частица была открыта первой. В 1897 году английский физик Дж. Дж. Томсон изучал то, что тогда было известно как катодные лучи . За несколько лет до этого английский физик Уильям Крукс показал, что эти «лучи» заряжены отрицательно, но его эксперименты не могли сказать больше. (Тот факт, что они несли отрицательный электрический заряд, убедительно доказывал, что это вовсе не лучи, а частицы.) Томсон подготовил чистый пучок этих частиц и отправил их через скрещенные электрические и магнитные поля, регулируя различные значения напряженности поля до тех пор, пока результирующее отклонение луча не стало равным нулю. С помощью этого эксперимента он смог определить отношение заряда к массе частицы. Это соотношение показало, что масса частицы была намного меньше, чем у любой другой ранее известной частицы — фактически в 1837 раз меньше. В конце концов эту частицу стали называть электроном .

Поскольку атом в целом электрически нейтрален, следующий вопрос заключался в том, чтобы определить, как положительные и отрицательные заряды распределяются внутри атома. Сам Томсон воображал, что его электроны заключены в нечто вроде положительно заряженной пасты, размазанной по всему объему атома. Однако в 1908 году новозеландский физик Эрнест Резерфорд  показал, что положительные заряды атома существуют внутри крошечного ядра, называемого ядром , которое занимает лишь очень малую часть общего объема атома, но держится над массой.Кроме того, он показал, что отрицательно заряженные электроны постоянно вращаются вокруг этого ядра, образуя своего рода электрически заряженное облако, окружающее ядро ​​(рис. 1.1.6). Резерфорд пришел к выводу, что ядро ​​состоит из маленьких массивных частиц, которые он назвал протонами .

(рис. 1.1.6)  

Рисунок 1.1.6.  Эта упрощенная модель атома водорода показывает положительно заряженное ядро ​​(состоящее, в случае водорода, из одного протона), окруженное электронным «облаком».Заряд электронного облака равен (и противоположен по знаку) заряду ядра, но электрон не имеет определенного положения в пространстве; следовательно, его представление здесь в виде облака. Нормальные макроскопические количества материи содержат огромное количество атомов и молекул и, следовательно, еще большее количество отдельных отрицательных и положительных зарядов.

Поскольку было известно, что разные атомы имеют разную массу и что обычно атомы электрически нейтральны, было естественно предположить, что разные атомы имеют разное число протонов в ядре с одинаковым числом отрицательно заряженных электронов, вращающихся вокруг положительно заряженных электронов. ядра, что делает атомы в целом электрически нейтральными.Однако вскоре было обнаружено, что хотя самый легкий атом, водород, действительно имеет один протон в качестве ядра, следующий по тяжести атом — гелий — имеет в два раза больше протонов (два), но в 90 488 четыре раза больше массы водорода в 90 232 раза. .

Эта загадка была разрешена в 1932 году английским физиком Джеймсом Чедвиком , когда был открыт нейтрон . Нейтрон, по сути, является электрически нейтральным близнецом протона, без электрического заряда, но (почти) с такой же массой, что и протон.Таким образом, ядро ​​гелия имеет два нейтрона вместе с двумя протонами. (Более поздние эксперименты должны были показать, что хотя нейтрон в целом электрически нейтрален, у него есть внутренний заряд структура . Более того, хотя массы нейтрона и протона почти равны , они не совсем равны: масса нейтрона лишь немногим больше массы протона, и этот небольшой избыток массы оказался очень важным.)

Таким образом, в 1932 г. атом представлял собой маленькое массивное ядро, состоящее из комбинации протонов и нейтронов, окруженное скоплением электронов, совместное движение которых формировало своего рода отрицательно заряженное «облако» вокруг ядра (рис. 1.1.7). В электрически нейтральном атоме общий отрицательный заряд совокупности электронов равен общему положительному заряду ядра. Электроны с очень малой массой могут быть более или менее легко удалены или добавлены к атому, изменяя суммарный заряд атома (хотя и не меняя его типа). Атом, заряд которого изменился таким образом, называется ионом . У положительных ионов были удалены электроны, тогда как у отрицательных ионов были добавлены лишние электроны. Мы также используем этот термин для описания молекул, которые не являются электрически нейтральными.

(рис. 1.1.7)  

Рисунок 1.1.7.  Ядро атома углерода состоит из шести протонов и шести нейтронов. Как и в водороде, окружающие шесть электронов не имеют определенного местоположения, и поэтому их можно рассматривать как своего рода облако, окружающее ядро.

Однако история атома на этом не заканчивается. Во второй половине двадцатого века в ядре атома было обнаружено гораздо больше субатомных частиц: среди прочих пионов, нейтрино и кварков.За исключением фотона, ни одна из этих частиц не имеет прямого отношения к изучению электромагнетизма, поэтому мы не будем обсуждать их далее в этом курсе.

Примечание по терминологии

Как отмечалось ранее, электрический заряд — это свойство, которым может обладать объект. Это похоже на то, как объект может иметь свойство, которое мы называем массой, свойство, которое мы называем плотностью, свойство, которое мы называем температурой, и так далее. Технически мы всегда должны говорить что-то вроде: «Предположим, у нас есть частица, несущая заряд .Однако вместо этого очень часто говорят: «Предположим, у нас есть… заряд». Точно так же мы часто говорим что-то вроде «Шесть зарядов расположены в вершинах правильного шестиугольника». Заряд — это не частица; скорее, это свойство частицы. Тем не менее, эта терминология чрезвычайно распространена (и часто используется в этой книге, как и везде). Итак, держите в уме, что мы на самом деле имеем в виду, когда говорим о «заряде».

Цитаты Кандела

Контент с лицензией CC, особое указание авторства

  • Скачать бесплатно на http://cnx.org/contents/[email protected] Получено с : http://cnx.org/contents/[email protected] Лицензия : CC BY: Attribution

Урок электрического заряда для детей — видео и стенограмма урока

Процесс переноса

Подумайте о том, когда ваши волосы имеют статическое электричество и встают после того, как вы снимаете с головы вязаную шапку. Статическое электричество возникает из-за того, что электроны из атомов ваших волос превращаются в электроны в атомы вашей шляпы.

Когда электрон покидает атом вашего волоса, в атоме волоса будет больше протонов, чем электронов. Когда в атоме больше протонов, атом меняет свой заряд с нейтрального на положительный.

В то же время, когда этот электрон переходит от атома волоса к атому шляпы, это приводит к тому, что атом шляпы имеет больше электронов, чем протонов. Теперь атом шляпы имеет отрицательный заряд.

Когда атом теряет или приобретает электроны, он называется ионом .Атомы с большим количеством положительно заряженных протонов, чем у электронов, называются положительными ионами. Атомы с большим количеством отрицательно заряженных электронов, чем у протонов, называются отрицательными ионами. Теперь давайте посмотрим, как взаимодействие между ионами волос и ионами шляпы заставляет ваши волосы вставать дыбом.

Ионы и магниты

Вы когда-нибудь слышали, что противоположности притягиваются? Если вы когда-либо проводили научные эксперименты с магнитами, вы могли заметить, что у магнитов есть отрицательные и положительные стороны. Когда вы пытаетесь склеить две положительные стороны магнитов, они отталкиваются или удаляются друг от друга, потому что у них одинаковые стороны.Однако, когда положительные и отрицательные стороны магнитов соприкасаются, они притягиваются и движутся навстречу друг другу. Это потому, что у них разные или противоположные стороны.

Это похоже на то, как притягиваются положительные и отрицательные ионы. Когда они имеют противоположные электрические заряды, они притягиваются; если они имеют одинаковые заряды, ионы будут отталкиваться. Подумайте о примере с вашими волосами и вязаной шапкой. Ваши волосы наполняются положительными ионами, когда вы снимаете шапку.Помните, что одноименные ионы будут отталкиваться или удаляться друг от друга, что приводит к тому, что положительные ионы ваших волос расходятся и удаляются друг от друга — и теперь ваши волосы встали дыбом!

Краткий обзор урока

Электрический заряд — это черта или свойство, которое исходит от электромагнитных сил и полей. Протоны имеют положительный заряд, а электроны – отрицательный. Атомы являются микроскопическими строительными блоками всей материи. Когда атом теряет или приобретает электрон, его называют ионом , а когда атомы теряют электроны, они становятся положительными ионами из-за наличия избыточного количества положительно заряженных протонов.Когда атомы приобретают электроны, они становятся отрицательными ионами. Положительные и отрицательные ионы притягиваются, как противоположные стороны магнитов, а ионы с одинаковым зарядом отталкиваются.

электричество: | Infoplease

Свойства зарядов в состоянии покоя

Электростатика изучает заряды или заряженные тела в состоянии покоя. Когда положительный или отрицательный заряд накапливается в фиксированных положениях на объектах, можно наблюдать определенные явления, которые в совокупности называются статическим электричеством.Заряд можно создать, потирая друг о друга определенные предметы, например, шелк и стекло или резину и мех; трение между предметами вызывает перенос электронов с одного на другой — со стеклянной палочки на шелковую ткань или с меха на резиновую палочку, — в результате чего предмет, потерявший электроны, приобретает положительный заряд, а предмет получивший их имеет равный отрицательный заряд. Электрически нейтральный объект можно зарядить, приведя его в контакт с заряженным объектом: если заряженный объект положительный, нейтральный объект получает положительный заряд, когда некоторые из его электронов притягиваются к положительному объекту; если заряженный объект отрицателен, нейтральный объект приобретает отрицательный заряд, когда к нему притягивается некоторое количество электронов от отрицательного объекта.

Нейтральный проводник можно зарядить индукцией, используя следующую процедуру. Заряженный предмет находится рядом с проводником, но не соприкасается с ним. Если объект заряжен положительно, электроны в проводнике притягиваются к стороне проводника рядом с объектом. Если объект заряжен отрицательно, электроны притягиваются в сторону проводника от объекта. Если затем проводник соединить с резервуаром электронов, таким как земля, электроны будут течь на проводник или от него, в результате чего он приобретает заряд, противоположный заряду заряженного объекта, поднесенного к нему.

См. также полюс в электричестве и магнетизме.

Разделы этой статьи:

Электронная энциклопедия Колумбии, 6-е изд. Авторское право © 2012, издательство Колумбийского университета. Все права защищены.

См. больше статей энциклопедии по теме: Электротехника

Гравитация и электрические заряды: притяжение и отталкивание | Марко Тавора, доктор философии.

Почему гравитация всегда притягивается, но как электрические заряды отталкиваются

Изображение Гарика Барсегяна с сайта Pixabay

Многие, кто читал книгу «Краткая история времени», помнят, что там есть глава под названием «Элементарные частицы и силы природы», где Хокинг пишет: «В квантовой механике предполагается, что все силы взаимодействия переносятся частицами…».

В этой статье я попытаюсь объяснить, что он предположительно имел в виду под этим заявлением. Я опишу причины связи взаимодействий с обменом частицами, что является общей чертой квантовой теории поля (КТП). Электромагнитные силы между частицами, например, объясняются в КТП как следствие обмена так называемыми «виртуальными фотонами».

Рисунок 1: Диаграмма показывает взаимодействие между электронами через виртуальный фотон. Волнистая линия представляет собой распространение виртуального фотона (источника).

Квантовая теория поля (КТП) — это структура, объединяющая классическую теорию поля (включая такие области, как электромагнетизм и гравитация), специальную теорию относительности и квантовую механику. КТП используется в основном в физике элементарных частиц, но многие другие области физики используют методы, основанные на ней. В КТП частицы являются возбуждениями или квантами соответствующих им квантовых полей.

Рисунок 2: Майкл Фарадей (источник) и один из его экспериментов, демонстрирующих индукцию (источник).

Вероятно, впервые поле серьезно рассмотрели, когда английский ученый Майкл Фарадей провел несколько экспериментов с электричеством и магнетизмом.Вследствие догадки Фарадея о том, что законы электричества и магнетизма можно сформулировать в терминах полей, пронизывающих пространство и время, концепция полей с тех пор доминировала в физике и заменила ньютоновскую программу, основанную на силах.

Рисунок 3: Схема электрического поля, окружающего положительные и отрицательные заряды (источник).

Вероятно, самое простое поле, которое мы можем рассмотреть, — это классическое реальное скалярное поле, описываемое функцией φ ( x , t ), где x — координата в пространстве, а t — время.Поле удовлетворяет так называемому уравнению Клейна-Гордона (KG):

Уравнение 1: Уравнение Клейна-Гордона для массивного скалярного поля φ( x ,t).

Решение уравнения КГ определяется однозначно при условии

Уравнение 2: Начальные условия для уравнения Клейна-Гордона для скалярного поля φ( x ,t).

известны начальные (или граничные) условия.

Рисунок 4: Скалярное поле φ ( x , t ), отслеживающее поверхность в пространстве-времени (источник).

В отсутствие внешних сил фундаментальным объектом квантовой теории поля является следующий интеграл по путям, называемый амплитудой перехода вакуум-вакуум.

Уравнение 3: Функциональный интеграл или амплитуда перехода вакуум-вакуум в КТП.

Из плотности лагранжиана в показателе подынтегральной функции Z с использованием

Уравнение 4: Используя этот выбор V(φ) и δS/δφ=0, получается уравнение КГ. Рисунок 5: Анимация, показывающая метод наискорейшего спуска ( источник).

и применяя принцип действия, который в данном случае принимает вид:

Уравнение 5: Принцип действия, примененный к случаю свободного массивного поля КГ.

дает уравнение КГ, приведенное в уравнении 1. Примером скалярной частицы является бозон Хиггса.

Рис. 6: Моделирование столкновения частиц с образованием бозона Хиггса, хорошо известное предсказание КТП (источник).

Заметим, что вакуум в КТП далек от спокойного, но полон квантовых флуктуаций (см. рис. 5). Принцип неопределенности энергия-время утверждает, что невозможно определить энергию квантовых состояний, которые существуют только в течение коротких периодов времени. Математически это выражается как

. На самом деле энергия вакуума сильно колеблется, что позволяет создавать пары (частица-античастица) виртуальных частиц.

Рисунок 7: Вакуумные флуктуации – это короткие и интенсивные колебания количества энергии в области пространства. Они позволяют создавать виртуальные пары частиц-античастиц (источник).

Источники

Формулировка КТП с использованием «языка источников» была изобретена американским физиком-теоретиком, лауреатом Нобелевской премии Джулианом Швингером.

Рисунок 8: Американский физик-теоретик и лауреат Нобелевской премии Джулиан Швингер, один из величайших физиков 20 века, известный своими работами по квантовой электродинамике (источник).

Рассмотрим частицу, созданную, например, после столкновения, а затем разрушенную или аннигилированную детектором. Можно представить творение и уничтожение как источники и стоки. Источники появляются в действии, умноженном на квантовое поле теории. Они описывают, как нарушается вакуум. Поскольку в настоящее время мы изучаем квантовые скалярные поля, в действии появляется терм J ( x ) φ ( x ). Амплитуда перехода вакуум-вакуум Z ( J ) в присутствии источников определяется следующим образом:

Уравнение 6: Функциональный интеграл (или амплитуда перехода вакуум-вакуум) в КТП в присутствии источника J(ф(х)).Рисунок 9: Представление амплитуды перехода вакуум-вакуум Z(J) при наличии источников (на основе диаграммы из источника).

Следуя Райдеру, Зи и этой ссылке, давайте настроим два источника, один для создания частиц (источник), а другой для их уничтожения (приемник). Интегралы в уравнении 3 и уравнение 4 могут быть выполнены, поскольку они имеют гауссовский тип. Это просто усложненные версии тривиального интеграла Гаусса:

Рисунок 10: График распределения Гаусса и площадь под ним (источник).

Результат может быть записан как:

Уравнение 7: Интегрирование уравнения. 1.

где для свободной скалярной теории,

Уравнение 8: Показатель степени W(J) в функционале Z(J), заданном уравнением. 2.

, где функция D ( x , y ) = D ( xy ) в показателе степени равна: .

Пропагатор D ( x, y ) равен амплитуде возмущения в поле, которое распространяется от y до x .Запись обоих исходных полей в виде преобразований Фурье и подстановка их в уравнение. 8 дает (см. Zee или эту ссылку для более подробной информации):

Уравнение 10: показатель степени W(J), записанный в терминах преобразования Фурье J(x).

Следуя Zee или этой ссылке, мы можем выбрать удобный J ( x ) для нашей текущей цели. В этом случае пусть J ( x ) будет суммой:

Уравнение 11: Выбор J(x) как суммы источника и стока.

сосредоточены в двух областях пространства-времени 1 и 2, как показано на рис.7. Преобразование Фурье обоих и подстановка в уравнение 8 мы получим четыре термина. Поскольку нас интересует изучение взаимодействий, мы будем игнорировать термины самовоздействия, такие как

Уравнение 12: Эти термины будут игнорироваться, поскольку они представляют самодействия.

и сохранить два из них, а именно:

Уравнение 13: Термины в уравнении. 10, которые включают взаимодействие между различными источниками.

Теперь, если мы исследуем уравнение. 11 мы видим, что единственный способ, которым W ( J ) будет большим, состоит в том, что два события происходят одновременно:

  • Оба слагаемых в уравнении11 сильно перекрываются: если одно из них равно нулю, а другое велико, вклад JJ- мал.
  • Из уравнения. 11, значение 90 488 k 90 232 ² при наличии перекрытия должно быть близко к 90 488 м 90 232 ² (напомним, что ε → 0). Эквивалентно, перекрытие должно произойти, когда k ²- m ² почти обращается в нуль. дающий толчок. Конкретно при k ²= m ², а значит выполняется энергия-импульс частицы, так называемое условие «на массовой оболочке», мы имеем большой шип и имеем массивную частицу в нашей теории .Интегрирование охватывает все возможные значения импульса k, , а не только импульсы на массовой оболочке. Эти другие k s являются виртуальными частицами.

Давайте снова последуем Зее и интерпретируем нашу текущую теорию следующим образом: область 1 возмущает поле, посылая это возмущение (скажем, частицу массой m ) в область 2 в пространстве-времени. Для проведения расчетов необходимо, чтобы источники имели определенные математические формы. Более простая возможность состоит в том, чтобы выбрать J как дельта-функции Дирака в трех пространственных измерениях:

Уравнение 14: Источники выбраны как дельта-функции Дирака.Для выполнения расчетов необходима четко определенная математическая форма для Js. Рисунок 12: Дельта-функция Дирака как предел последовательности нормальных распределений с центром в нуле (источник).

Источники не зависят от времени, но перекрываются. Подставляя уравнение 12 в W ( J ) мы получаем (после некоторых простых шагов алгебры):

Уравнение 15: Результат использования Eqs. 9 и 13 и выполняя некоторую рутинную интеграцию. Время T – это время, в течение которого происходит взаимодействие. Энергия взаимодействия определяется E.

Здесь T — интервал, в течение которого взаимодействовали источники, а E — энергия взаимодействия между взаимодействующими источниками. Обратите внимание, что энергия отрицательна. Это чрезвычайно важно, поскольку подразумевает, что источники притягиваются друг к другу вследствие их связи с полем φ. Решая интеграл с помощью комплексного анализа, находим

Уравнение 16: Энергия взаимодействия источников, действующих друг на друга после интегрирования по k.Рис. 13. Взаимодействие Юкавы, связывающее фермионные поля с мезонным полем.

Мы видим, что притяжение между источниками спадает до нуля экспоненциально быстро на расстоянии 1/ м . Это фундаментальный результат, поскольку он означает, что диапазон действия силы зависит от массы m частицы, описываемой полем φ.

Мы только что получили глубокий фундаментальный результат: диапазон действия силы зависит от массы обмениваемой частицы.

Обратите также внимание на то, что по мере сближения массы уменьшают энергию. Следовательно, dE / dr > 0. Эта потенциальная энергия была предложена в 1934 г. японским физиком-теоретиком и лауреатом Нобелевской премии Хидэки Юкавой для объяснения притяжения между нуклонами в ядре, возникающего из-за их связи с полем типа φ. . Последний теперь называется π-мезоном или пионом и был открыт экспериментально в 1947 году.

Рисунок 14: Сравнение потенциалов Юкавы для нескольких значений м ( источник ).

Важность этого результата (и последующих) невозможно переоценить. Цитата Зи:

«То, что обмен частицами может производить силу, было одним из самых глубоких концептуальных достижений в физике». — А. Зи

Почему сила Кулона отталкивает одинаковые заряды?

Другим важным результатом КТП является соотношение между силой притяжения или отталкивания и спином частицы, обменивающейся при соответствующем взаимодействии.Если поле имеет спин 1, оно преобразуется как вектор под действием группы вращения. Простейшая возможность для поля, в данном случае, четырехвекторная (скалярное поле из предыдущего раздела «получит индекс»):

Уравнение 17: Новое поле со спином 1, которое опосредует электромагнитную силу.

Однако, поскольку частица со спином 1 имеет только три степени свободы, соответствующие трем направлениям поляризации в ее системе покоя

Уравнение 18: Векторы поляризации массивной частицы со спином 1 в системе покоя.Рисунок 15: Три вектора поляризации массивного фотона со спином 1.

должно существовать условие для ограничения количества независимых компонентов A . Простое условие, которое является ковариантным по Лоренцу:

По причинам, выходящим за рамки этой статьи (см. эту ссылку, Zee или Coleman для более подробной информации), фотону будет придана небольшая масса m, , которую можно довести до нуля в конце вычислений. .

Кроме того, поскольку вектор импульса в системе покоя равен

. Уравнение 20: Вектор импульса в системе покоя.

будет выполняться следующее условие:

Уравнение 21: Условие, которому удовлетворяют вектор k и векторы поляризации ε .

Согласно ковариации Лоренца, это условие должно выполняться во всех системах отсчета (другими словами, оно также должно выполняться для движущихся массивных фотонов).

Теперь, чтобы включить исходный член в лагранжиан A , соответствующий J ( x ) φ ( x ) в случае скалярных полей, источник должен, четырехвекторный

Уравнение 22: Чтобы включить исходный член в лагранжиан, источник также должен быть четырехвекторным.Рисунок 16: Источник (где создается виртуальный фотон) и сток (где виртуальный фотон поглощается) для виртуальных массивных фотонов (на основе диаграммы источника).

Член в лагранжиане тогда:

Уравнение 23: Исходный член в лагранжиане для массивного электромагнитного поля.

В этом случае источник называется токовым (или четырехточным).

Вероятность того, что частица с импульсом k и поляризацией a рождается (в источнике) и поглощается (в стоке), пропорциональна: с поляризацией создавалось и поглощалось в источнике и стоке.

Суммируя индекс ( a ) (по трем поляризациям), мы получаем полную вероятность распространения от источника к стоку. Чтобы перейти от скалярного случая Ур. 9 к настоящему случаю массивного поля со спином 0 мы сначала отметим, что вычет полюса является свойством частицы. Новый пропагатор, который теперь будет иметь два индекса Лоренца μ и ν , станет:

Уравнение 25: Пропагатор массивного фотона. По сравнению со случаем скалярного поля новый пропагатор приобретает два индекса µ и ν.

Следующим шагом является запись суммы произведений поляризации в виде объекта с двумя индексами, который будет обозначаться (минус) G . Как заметил Зи, ковариация Лоренца ограничивает G комбинацией (после лекций Зи) следующих терминов:

Но из уравнений. 20 и 25 левая часть равна нулю, что означает, что:

Переходя к оставшемуся кадру и устанавливая μ = ν = 1, мы находим, что общий знак равен -1.Тогда имеем:

Уравнение 27: W(J) для случая электромагнетизма.

Теперь, если мы вспомним, что токи сохраняются, необходимо иметь:

Уравнение 28: Сохранение тока в электромагнетизме.

Если вы посмотрите на формулу. 26, у вас есть следующий первый член в числителе:

Уравнение 29: Сохранение тока исключает один из членов числителя. В результате получается W(J), знак которого зависит от знака зарядов.

Вы видите, что, вопреки потенциалу Юкавы, два заряда Дж ⁰( x ) с одинаковыми знаками будут отталкиваться друг от друга (масса отброшена, так как фотоны безмассовые).

Мы только что получили важный результат, заключающийся в том, что два заряда с одинаковыми знаками будут отталкивать друг друга.

Рисунок 17: Пример проявления электромагнетизма, называемого магнитным пересоединением солнечной плазмы. Это явление ответственно за солнечные вспышки (источник).

Почему притягиваются массы?

Гравитация передается массивной частицей со спином 2, с 5 степенями поляризации, представленными бесследными тензорами:

Уравнение 30: Поляризации массивных частиц со спином 2.

Следуя логике, которая дала нам уравнение. 26 мы получаем следующий пропагатор для массивных частиц со спином 2:

Уравнение 31: Пропагатор для гравитационного поля.

Это дает:

Уравнение 32: W(J) для силы тяжести.

Установив индексы Т на 00, мы получим плотность энергии. Тогда соответствующее W ( T ) равно:

Уравнение 33: Отрицательный знак W(T) указывает на притяжение гравитации.

Обратите внимание, что общий знак отрицательный .Это означает, что массы притягивают друг друга, в отличие от одинаковых зарядов, которые мы видели в предыдущем разделе.

То, что мы увидели в этом анализе, действительно завораживает. По спину частицы, которой обменивается при взаимодействии, можно определить, является ли сила отталкивающей или притягивающей. Эти результаты имеют много значений, например, в (примеры из Zee):

  • Формирование структуры во Вселенной: без знака минус в уравнении. 33, структуры во Вселенной не образовались бы!
  • Ядерные силы притяжения зажигают звезды, и когда они преобладают над отталкивающей электрической силой между протонами (опосредованной виртуальным фотоном), они формируют множество ядер, которые мы видим в Природе
  • Отталкивающие подобные заряды позволяют формировать атомы.

Несет ли темная материя электрический заряд?

Астрономы предложили новую модель невидимого вещества, из которого состоит большая часть вещества во Вселенной. Они изучили, может ли часть частиц темной материи иметь крошечный электрический заряд.

«Вы слышали об электромобилях и электронных книгах, но теперь мы говорим об электрической темной материи», — сказал Джулиан Муньос из Гарвардского университета в Кембридже, штат Массачусетс, который руководил исследованием, которое было опубликовано в журнале Nature.«Однако этот электрический заряд имеет очень малые масштабы.

Муньос и его сотрудник Ави Леб из Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики (CfA) в Кембридже, штат Массачусетс, исследуют возможность того, что эти заряженные частицы темной материи взаимодействуют с обычной материей посредством электромагнитной силы.

Их новая работа согласуется с недавно объявленным результатом совместной работы Experiment to Detect the Global EoR (Epoch of Reionization) Signature (EDGES). В феврале ученые из этого проекта заявили, что обнаружили радиосигнатуру от первого поколения звезд и возможные доказательства взаимодействия между темной материей и обычной материей.

Некоторые астрономы быстро оспорили утверждение EDGES. Тем временем Муньос и Леб уже искали теоретическую основу, лежащую в его основе.

«С помощью нашего исследования мы можем рассказать историю фундаментальной физики независимо от того, как вы интерпретируете результат EDGES», — сказал Леб, заведующий кафедрой астрономии Гарварда. «Природа темной материи — одна из самых больших загадок в науке, и нам нужно использовать любые связанные новые данные, чтобы решить ее».

История начинается с первых звезд, которые излучали ультрафиолетовый (УФ) свет.Согласно общепринятому сценарию, этот УФ-свет взаимодействовал с холодными атомами водорода в газе, находящемся между звездами, и позволял им поглощать реликтовое излучение, оставшееся от Большого взрыва.

Это поглощение должно было привести к падению интенсивности реликтового излучения в этот период, который происходит менее чем через 200 миллионов лет после Большого взрыва. Команда EDGES заявила, что обнаружила свидетельства поглощения реликтового излучения, хотя другие ученые еще не подтвердили это независимо.Однако температура газообразного водорода в данных EDGES составляет примерно половину ожидаемого значения.

«Если EDGES обнаружил более холодный, чем ожидалось, газообразный водород в течение этого периода, чем это можно объяснить?» — сказал Муньос. «Одна из возможностей состоит в том, что водород охлаждался темной материей».

В то время, когда реликтовое излучение поглощалось, любые свободные электроны или протоны, связанные с обычным веществом, двигались бы с максимально возможной скоростью (поскольку позже они были нагреты рентгеновскими лучами первых черных дыр).Рассеяние заряженных частиц наиболее эффективно при малых скоростях. Следовательно, любые взаимодействия между нормальной материей и темной материей в это время были бы самыми сильными, если бы некоторые из частиц темной материи были заряжены. Это взаимодействие приведет к охлаждению газообразного водорода, потому что темная материя холодная, потенциально оставляя наблюдательную сигнатуру, подобную заявленной в проекте EDGES.

«Мы ограничиваем возможность того, что частицы темной материи несут крошечный электрический заряд — равный одной миллионной заряда электрона — посредством измеримых сигналов от космического рассвета», — сказал Леб.«Такие крошечные заряды невозможно наблюдать даже с помощью самых больших ускорителей частиц».

Только небольшое количество темной материи со слабым электрическим зарядом может объяснить данные EDGES и избежать разногласий с другими наблюдениями. Если бы большая часть темной материи была заряжена, то эти частицы были бы отклонены от областей, близких к диску нашей собственной Галактики, и им не удалось бы вернуться. Это противоречит наблюдениям, показывающим, что большое количество темной материи находится близко к диску Млечного Пути.

Из наблюдений за реликтовым излучением ученым известно, что в ранней Вселенной протоны и электроны объединялись, образуя нейтральные атомы. Только небольшая часть этих заряженных частиц, примерно одна из нескольких тысяч, оставалась свободной. Муньос и Леб рассматривают возможность того, что темная материя могла действовать подобным образом. Данные EDGES и подобных экспериментов могут быть единственным способом обнаружить несколько оставшихся заряженных частиц, поскольку большая часть темной материи будет нейтральной.

«Жизнеспособное пространство параметров для этого сценария довольно ограничено, но если это подтвердится будущими наблюдениями, конечно, мы узнаем что-то фундаментальное о природе темной материи, что является одной из самых больших загадок, которые у нас есть в физике сегодня», — сказал гарвардский исследователь. Кора Дворкин, которая не участвовала в новом исследовании.

Линкольн Гринхилл, также из CfA, в настоящее время тестирует заявление о наблюдениях командой EDGES. Он возглавляет проект «Эксперимент с большой апертурой для обнаружения темных веков» (LEDA), в котором используется массив длинных волн в долине Оуэн, Калифорния, и Сокорро, Нью-Мексико.

Статья с описанием этих результатов опубликована в номере журнала Nature от 31 мая 2018 года.

Гарвард-Смитсоновский центр астрофизики (CfA) со штаб-квартирой в Кембридже, штат Массачусетс, является результатом сотрудничества Смитсоновской астрофизической обсерватории и обсерватории Гарвардского колледжа.Ученые CfA, организованные в шесть исследовательских подразделений, изучают происхождение, эволюцию и окончательную судьбу Вселенной.

###

СИ-341-2018

.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.