Виды электрических зарядов: Взаимодействие зарядов. Два вида электрических зарядов — Электростатика

Содержание

Какие виды электрических зарядов существуют

Происходящие в природе физические процессы не всегда объясняются действием законов молекулярно-кинетической теории, механики либо термодинамики. Существуют еще электромагнитные силы, которые действуют на расстоянии и не зависят от массы тела.

Их проявления впервые описаны в трудах древних ученых Греции, когда они янтарем, потертым о шерсть, притягивали легкие, маленькие частицы отдельных веществ.

Исторический вклад ученых в развитие электродинамики

Опыты с янтарем подробно изучались английским исследователем Уильямом Гильбертом . В последних годах XVI века он сделал отчет о своей работе, а предметы, способные притягивать другие тела на расстоянии, обозначил термином «наэлектризованные».

Французским физиком Шарлем Дюфе было определено существование зарядов с противоположными знаками: одни образовывались при трении стеклянных предметов о шелковую ткань, а другие — смол по шерсти. Он так и назвал их: стеклянные и смоляные.

После завершения исследований Бенджамина Франклина было введено понятие отрицательных и положительных зарядов.

Шарль Кулон реализовал возможность измерения силы зарядов конструкцией крутильных весов собственного изобретения.

Роберт Милликен на основе серии проведенных опытов установил дискретный характер электрических зарядов любого вещества, доказав, что они состоят из определенного количества элементарных частиц. (Не путать с другим понятием этого термина — дробности, прерывистости.)

Труды перечисленных ученых послужили фундаментом современных знаний о процессах и явлениях, происходящих в электрических и магнитных полях, создаваемых электрическими зарядами и их движением, изучаемых электродинамикой.

Определение зарядов и принципы их взаимодействия

Электрическим зарядом характеризуют свойства веществ, обеспечивающих им возможность создавать электрические поля и взаимодействовать в электромагнитных процессах. Еще его называют количеством электричества и определяют как физическую скалярную величину. Для обозначения заряда приняты символы «q» или «Q», а при измерениях используют единицу «Кулон», названную в честь французского ученого, разработавшего уникальную методику.

Им был создан прибор, в корпусе которого использовались подвешенные на тонкой нити из кварца шарики. Они ориентировались в пространстве определенным образом, а их положение регистрировалось относительно проградуированной шкалы с равными делениями.

Через специальное отверстие в крышке к этим шарикам подводился другой шар, обладающий дополнительным зарядом. Возникающие силы взаимодействия заставляли отклоняться шарики, поворачивали их коромысло. Величина разницы отсчетов на шкале до ввода заряда и после него позволяла оценивать количество электричества в испытуемых образцах.

Заряд в 1 кулон характеризуется в системе СИ силой тока в 1 ампер, проходящей через поперечное сечение проводника за время, равное 1 секунде.

Все электрические заряды современная электродинамика разделяет на:

    положительные;

    отрицательные.

При взаимодействии их между собой у них возникают силы, направление которых зависит от существующей полярности.

Одинакового типа заряды, положительные либо отрицательные, всегда отталкиваются в противоположные стороны, стремясь, как можно дальше удалиться друг от друга. А у зарядов противоположных знаков действуют силы, стремящиеся сблизить их и соединить в одно целое.

Принцип суперпозиции

Когда в определенном объеме находится несколько зарядов, то для них действует принцип суперпозиции.

Его смысл в том, что каждый заряд определенным образом по рассмотренному выше способу взаимодействует со всеми остальными, притягиваясь к разноименным и отталкиваясь от однотипных. К примеру, на положительный заряд q1 действует сила притяжения F31 к отрицательному заряду q3 и отталкивания F21 — от q2.

Результирующая сила F1, действующая на q1, определяется геометрическим сложением векторов F31 и F21. (F1= F31+ F21).

Таким же методом определяются действующие результирующие силы F2 и F3 на заряды q2 и q3 соответственно.

Посредством принципа суперпозиции сделан вывод о том, что при определенном количестве зарядов в замкнутой системе между всеми ее телами действуют установившиеся электростатические силы, а потенциал в любой определенной точке этого пространства равен сумме потенциалов от всех отдельно приложенных зарядов.

Действие этих законов подтверждают созданные приборы электроскоп и электрометр , имеющие общий принцип работы.

Электроскоп состоит из двух одинаковых лепестков тонкой фольги, подвешенных в изолированном пространстве на токопроводящей нити, присоединенной к металлическому шарику. В обычном состоянии на этот шарик заряды не действуют, поэтому лепестки свободно висят в пространстве внутри колбы прибора.

Как можно передавать заряд между телами

Если к шарику электроскопа поднести заряженное тело, например, палочку, то заряд пройдет через шарик по токопроводящей нити к лепесткам. Они получат одноименный заряд и станут отодвигаться друг от друга на угол, пропорциональный приложенному количеству электричества.

У электрометра такое же принципиальное устройство, но он имеет небольшие отличия: один лепесток закреплен стационарно, а второй отходит от него и снабжен стрелкой, которая позволяет снимать отсчет с проградуированной шкалы.

Для переноса заряда от удаленного стационарно закрепленного и заряженного тела на электрометр можно воспользоваться промежуточными носителями.

Измерения, сделанные электрометром, не обладают высоким классом точности и на их основе сложно анализировать силы, действующие между зарядами. Для их исследования больше приспособлены крутильные весы Кулона. У них использованы шарики с диаметрами, значительно меньшими, чем их удаление друг от друга. Они обладают свойствами точечных зарядов — заряженных тел, размеры которых не влияют на точность прибора.

Измерения, выполненные Кулоном, подтвердили его догадку о том, что точечный заряд передается от заряженного тела к такому же по свойствам и массе, но незаряженному таким образом, чтобы равномерно распределиться между ними, уменьшаясь на источнике в 2 раза.

Таким способом удалось уменьшать величину заряда в два, три и иное количество раз.

Силы, существующие между неподвижными электрическими зарядами, называют кулоновским либо статическим взаимодействием. Их изучает электростатика, являющаяся одним из разделов электродинамики.

Виды носителей электрических зарядов

Современная наука считает самой маленькой отрицательно заряженной частицей электрон , а положительной — позитрон . Они имеют одинаковую массу 9,1·10-31 кг. Элементарная частица протон обладает всего одним положительным зарядом и массой 1,7·10-27 кг. В природе количество положительных и отрицательных зарядов уравновешено.

В металлах движение электронов создает , а в полупроводниках носителями его зарядов являются электроны и дырки.

В газах ток образуется передвижением ионов — заряженных неэлементарных частиц (атомов или молекул) с положительными зарядами, называемыми катионами либо отрицательными — анионами.

Ионы образуются из нейтральных частиц.

Положительный заряд создается у частицы, потерявшей электрон под действием мощного электрического разряда, светового или радиоактивного облучения, потока ветра, движения масс воды или ряда других причин.

Отрицательные ионы образуются из нейтральных частиц, дополнительно получивших электрон.

Использование ионизации в медицинских целях и быту

Исследователи давно заметили способность отрицательных ионов воздействовать на организм человека, улучшать потребление кислорода воздуха, быстрее доставлять его к тканям и клеткам, ускорять процесс окисления серотонина. Это все в комплексе значительно повышает иммунитет, улучшает настроение, снимает боли.

Первый ионизатор, используемый для лечения людей, получил название люстры Чижевского , в честь советского ученого, который создал прибор, благотворно влияющий на здоровье человека.

В современных электроприборах для работы в бытовых условиях можно встретить встроенные ионизаторы в пылесосы, увлажнители воздуха, фены, сушилки…

Специальные ионизаторы воздуха очищают его состав, уменьшают количество пыли и вредных примесей.

Ионизаторы воды способны снижать количество химических реагентов в ее составе. Их используют для очистки бассейнов и водоемов, насыщая воду ионами меди или серебра, которые уменьшают рост водорослей, уничтожают вирусы и бактерии.

Реферат по физике

по §1-6

Витенбек Марии

Электрический заряд

Электрический заряд — это связанное с телом свойство, позволяющее ему быть источником электрического поля и участвовать в электромагнитных взаимодействиях. Заряд является количественной характеристикой. Единица измерения заряда в СИ — кулон — электрический заряд, проходящий через поперечное сечение проводника при силе тока 1А за время 1с. Впервые электрический заряд был введён в законе Кулона в 1785 году. Заряд в один кулон очень велик. Если бы два носителя заряда (q1 = q2 = 1Кл) расположили в вакууме на расстоянии 1 м, то они взаимодействовали бы с силой 9×10 9 H.

История

Франклин проводит свой знаменитый опыт с летающим змеем, в котором доказывает, что молния — это электричество

Ещё в глубокой древности было известно, что янтарь, потёртый о шерсть, притягивает лёгкие предметы. А уже в конце XVI века английский врач Уильям Гильберт назвал тела, способные после натирания притягивать лёгкие предметы, наэлектризованными.

В 1729 году Шарль Дюфе установил, что существует два рода зарядов. Один образуется при трении стекла о шёлк, а другой — смолы о шерсть. Поэтому Дюфе назвал заряды «стеклянным» и «смоляным». Понятие о положительном и отрицательном заряде ввёл Бенджамин Франклин.

В начале XX века американский физик Роберт Милликен опытным путём показал, что электрический заряд дискретен , то есть заряд любого тела составляет целое кратное от элементарного электрического заряда

Электростатика

Электростатикой называют раздел учения об электричестве, в котором изучаются взаимодействия и свойства систем электрических зарядов, неподвижных относительно выбранной инерциальной системы отсчета.

Величина электрического заряда (иначе, просто электрический заряд) — численная характеристика носителей заряда и заряженных тел, которая может принимать положительные и отрицательные значения. Эта величина определяется таким образом, что силовое взаимодействие, переносимое полем между зарядами, прямо пропорционально величине зарядов, взаимодействующих между собой частиц или тел, а направления сил, действующих на них со стороны электромагнитного поля, зависят от знака зарядов.

Электрический заряд любой системы тел состоит из целого числа элементарных зарядов, равных 1,6×10 −19 Кл (Или, более точно 1,602176487(40)×10 −19) Носителями электрического заряда являются электрически заряженные элементарные частицы. Наименьшей по массе покоя устойчивой частицей, имеющей один отрицательный элементарный электрический заряд, является электрон (его масса покоя равна 9,11×10 −31 кг). Наименьшая по массе покоя устойчивая античастица с положительным элементарным зарядом — позитрон, имеющая такую же массу, как и электрон ] . Также существует устойчивая частица с одним положительным элементарным зарядом — протон (масса покоя равна 1,67×10 −27 кг) и другие, менее распространённые, частицы.

Электрический заряд любой элементарной частицы — величина релятивистски инвариантная. Он не зависит от системы отсчёта, а значит, не зависит от того, движется этот заряд или покоится, он присущ этой частице в течение всего времени ее жизни, поэтому элементарные заряженные частицы зачастую отождествляют с их электрическими зарядами. В целом, в природе отрицательных зарядов столько же, сколько положительных. Электрические заряды атомов и молекул равны нулю, а заряды положительных и отрицательных ионов в каждой ячейке кристаллических решеток твёрдых тел скомпенсированы.

Взаимодействие зарядов

Взаимодействие зарядов: одноименно заряженные тела отталкиваются, разноименно — притягиваются друг к другу

Самое простое и повседневное явление, в котором обнаруживается факт существования в природе электрических зарядов, — это электризация тел при соприкосновении . Способность электрических зарядов как к взаимному притяжению, так и к взаимном отталкиванию объясняется предположением о существовании двух различных видов зарядов. Один вид электрического заряда называют положительным, а другой — отрицательным. Разноимённо заряженные тела притягиваются, а одноимённо заряженные — отталкиваются друг от друга.

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

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

Закон сохранения электрического заряда

Электрический заряд замкнутой системы сохраняется во времени и квантуется — изменяется порциями, кратными элементарному электрическому заряду, то есть, другими словами, алгебраическая сумма электрических зарядов тел или частиц, образующих электрически изолированную систему, не изменяется при любых процессах, происходящих в этой системе.

В рассматриваемой системе могут образовываться новые электрически заряженные частицы, например, электроны — вследствие явления ионизации атомов или молекул, ионы — за счёт явления электролитической диссоциации и др. Однако, если система электрически изолирована, то алгебраическая сумма зарядов всех частиц, в том числе и вновь появившихся в такой системе, всегда равна нулю.

Закон сохранения заряда — один из основополагающих законов физики. Закон сохранения заряда был экспериментально подтверждён в 1843 году великим английским ученым Майклом Фарадеем и считается на настоящее время одним из фундаментальных законов сохранения в физике (подобно законам сохранения импульса и энергии).

Свободные заряды

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

    Проводники — это тела, в которых электрический заряд может перемещаться по всему его объему. Проводники делятся на две группы: 1) проводники первого рода (металлы), в которых перенос зарядов (свободных электронов) не сопровождается химическими превращениями; 2) проводники второго рода (например, расплавленные соли, растворы кислот), в которых перенос зарядов (положительных и отрицательных ионов) ведёт к химическим изменениям.

    Диэлектрики (например стекло, пластмасса) — тела, в которых практически отсутствуют свободные заряды.

    Полупроводники (например, германий, кремний) занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками.

Измерение

Простейший электроскоп

Для обнаружения и измерения электрических зарядов применяется электроскоп, который состоит из металлического стержня — электрода и подвешенных к нему двух листочков фольги. При прикосновении к электроду заряженным предметом заряды стекают через электрод на листочки фольги, листочки оказываются одноимённо заряженными и поэтому отклоняются друг от друга.

Также может применяться электрометр, состоящий из металлического стержня и стрелки, которая может вращаться вокруг горизонтальной оси. При соприкосновении заряженного тела со стрежнем электрометра электрические заряды распределяются по стержню и стрелке, и силы отталкивания, действующие между одноимёнными зарядами на стержне и стрелке, вызывают её поворот

Темы кодификатора ЕГЭ : электризация тел, взаимодействие зарядов, два вида заряда, закон сохранения электрического заряда.

Электромагнитные взаимодействия принадлежат к числу наиболее фундаментальных взаимодействий в природе. Силы упругости и трения, давление газа и многое другое можно свести к электромагнитным силам между частицами вещества. Сами электромагнитные взаимодействия уже не сводятся к другим, более глубоким видам взаимодействий.

Столь же фундаментальным типом взаимодействия является тяготение — гравитационное притяжение любых двух тел. Однако между электромагнитными и гравитационными взаимодействиями имеется несколько важных отличий.

1. Участвовать в электромагнитных взаимодействиях могут не любые, а только заряженные тела (имеющие электрический заряд ).

2. Гравитационное взаимодействие — это всегда притяжение одного тела к другому. Электромагнитные взаимодействия могут быть как притяжением, так и отталкиванием.

3. Электромагнитное взаимодействие гораздо интенсивнее гравитационного. Например, сила электрического отталкивания двух электронов в раз превышает силу их гравитационного притяжения друг к другу.

Каждое заряженное тело обладает некоторой величиной электрического заряда . Электрический заряд — это физическая величина, определяющая силу электромагнитного взаимодействия между объектами природы . Единицей измерения заряда является кулон (Кл).

Два вида заряда

Поскольку гравитационное взаимодействие всегда является притяжением, массы всех тел неотрицательны. Но для зарядов это не так. Два вида электромагнитного взаимодействия — притяжение и отталкивание — удобно описывать, вводя два вида электрических зарядов: положительные и отрицательные .

Заряды разных знаков притягиваются друг к другу, а заряды разных знаков друг от друга отталкиваются. Это проиллюстрировано на рис. 1 ; подвешенным на нитях шарикам сообщены заряды того или иного знака.


Рис. 1. Взаимодействие двух видов зарядов

Повсеместное проявление электромагнитных сил объясняется тем, что в атомах любого вещества присутствуют заряженные частицы: в состав ядра атома входят положительно заряженные протоны, а по орбитам вокруг ядра движутся отрицательно заряженные электроны.

Заряды протона и электрона равны по модулю, а число протонов в ядре равно числу электронов на орбитах, и поэтому оказывается, что атом в целом электрически нейтрален. Вот почему в обычных условиях мы не замечаем электромагнитного воздействия со стороны окружающих тел: суммарный заряд каждого из них равен нулю, а заряженные частицы равномерно распределены по объёму тела. Но при нарушении электронейтральности (например, в результате электризации ) тело немедленно начинает действовать на окружающие заряженные частицы.

Почему существует именно два вида электрических зарядов, а не какое-то другое их число, в данный момент не известно. Мы можем лишь утверждать, что принятие этого факта в качестве первичного даёт адекватное описание электромагнитных взаимодействий.

Заряд протона равен Кл. Заряд электрона противоположен ему по знаку и равен Кл. Величина

называется элементарным зарядом . Это минимальный возможный заряд: свободные частицы с меньшей величиной заряда в экспериментах не обнаружены. Физика не может пока объяснить, почему в природе имеется наименьший заряд и почему его величина именно такова.

Заряд любого тела всегда складывается из целого количества элементарных зарядов:

Если , то тело имеет избыточное количество электронов (по сравнению с количеством протонов). Если же alt=»»> , то наоборот, у тела электронов недостаёт: протонов на больше.

Электризация тел

Чтобы макроскопическое тело оказывало электрическое влияние на другие тела, его нужно электризовать. Электризация — это нарушение электрической нейтральности тела или его частей. В результате электризации тело становится способным к электромагнитным взаимодействиям.

Один из способов электризовать тело — сообщить ему электрический заряд, то есть добиться избытка в данном теле зарядов одного знака. Это несложно сделать с помощью трения.

Так, при натирании шёлком стеклянной палочки часть её отрицательных зарядов уходит на шёлк. В результате палочка заряжается положительно, а шёлк — отрицательно. А вот при натирании шерстью эбонитовой палочки часть отрицательных зарядов переходит с шерсти на палочку: палочка заряжается отрицательно, а шерсть — положительно.

Данный способ электризации тел называется электризацией трением . С электризацией трением вы сталкиваетесь всякий раз, когда снимаете свитер через голову;-)

Другой тип электризации называется электростатической индукцией , или электризацией через влияние . В этом случае суммарный заряд тела остаётся равным нулю, но перераспределяется так, что в одних участках тела скапливаются положительные заряды, в других — отрицательные.


Рис. 2. Электростатическая индукция

Давайте посмотрим на рис. 2 . На некотором расстоянии от металлического тела находится положительный заряд . Он притягивает к себе отрицательные заряды металла (свободные электроны), которые скапливаются на ближайших к заряду участках поверхности тела. На дальних участках остаются нескомпенсированные положительные заряды.

Несмотря на то, что суммарный заряд металлического тела остался равным нулю, в теле произошло пространственное разделение зарядов. Если сейчас разделить тело вдоль пунктирной линии, то правая половина окажется заряженной отрицательно, а левая — положительно.

Наблюдать электризацию тела можно с помощью электроскопа. Простой электроскоп показан на рис. 3 (изображение с сайта en.wikipedia.org).

Рис. 3. Электроскоп

Что происходит в данном случае? Положительно заряженная палочка (например, предварительно натёртая) подносится к диску электроскопа и собирает на нём отрицательный заряд. Внизу, на подвижных листочках электроскопа, остаются нескомпенсированные положительные заряды; отталкиваясь друг от друга, листочки расходятся в разные стороны. Если убрать палочку, то заряды вернутся на место и листочки опадут обратно.

Явление электростатической индукции в грандиозных масштабах наблюдается во время грозы. На рис. 4 мы видим идущую над землёй грозовую тучу.


Рис. 4. Электризация земли грозовой тучей

Внутри тучи имеются льдинки разных размеров, которые перемешиваются восходящими потоками воздуха, сталкиваются друг с другом и электризуются. При этом оказывается, что в нижней части тучи скапливается отрицательный заряд, а в верхней — положительный.

Отрицательно заряженная нижняя часть тучи наводит под собой на поверхности земли заряды положительного знака. Возникает гигантский конденсатор с колоссальным напряжением между тучей и землёй. Если этого напряжения будет достаточно для пробоя воздушного промежутка, то произойдёт разряд — хорошо известная вам молния.

Закон сохранения заряда

Вернёмся к примеру электризации трением — натирании палочки тканью. В этом случае палочка и кусок ткани приобретают равные по модулю и противоположные по знаку заряды. Их суммарный заряд как был равен нулю до взаимодействия, так и остаётся равным нулю после взаимодействия.

Мы видим здесь закон сохранения заряда , который гласит: в замкнутой системе тел алгебраическая сумма зарядов остаётся неизменной при любых процессах, происходящих с этими телами :

Замкнутость системы тел означает, что эти тела могут обмениваться зарядами только между собой, но не с какими-либо другими объектами, внешними по отношению к данной системе.

При электризации палочки ничего удивительного в сохранении заряда нет: сколько заряженных частиц ушло с палочки — столько же пришло на кусок ткани (или наоборот). Удивительно то, что в более сложных процессах, сопровождающихся взаимными превращениями элементарных частиц и изменением числа заряженных частиц в системе, суммарный заряд всё равно сохраняется!

Что такое электрический заряд? Какие виды зарядов Вы знаете?


Стр 1 из 3Следующая ⇒

Что такое электрический заряд? Какие виды зарядов Вы знаете?

Электрический заряд — это связанное с телом свойство, позволяющее ему быть источником электрического поля и участвовать в электромагнитных взаимодействиях.

Электрический заряд— количество электричества, содержащееся в данном теле.

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

Каково значение элементарного электрического заряда?

Электрический заряд любой системы тел состоит из целого числа элементарных зарядов, равных 1,6×10−19 Кл в системе СИ или 4,8×10−10ед СГСЭ. е≈1,6021892*10-19

Сформулируйте закон Кулона.

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

 

В чем измеряется поток электрического смещения и его плотность?

Поток электрического смещения измеряется в кулонах и представляет поток количества электричества, коротко — электрический поток. Электрическая индукция (Кл / м2) — это плотность потока количества электричества, коротко — плотность электрического потока. Квант количества электричества — элементарный электрический заряд, таким образом, квант заряда — это просто квант количества электричества. Аналогично, магнитный поток измеряется в веберах, представляя поток количества магнетизма. Т.е. электрический заряд обладает количеством электричества в виде электрического потока, магнит обладает количеством магнетизма в виде магнитного потока.

Что такое «Напряженность электрического поля?»

Напряжённость электрического поля — силовая характеристика электрического поля; векторная физическая величина, характеризующая электрическое поле в данной точке и численно равная отношению силы действующей на пробный заряд, помещенный в данную точку поля, к величине этого заряда q: ; [В/м]

 

 

Какие единицы измерения напряженности электрического поля вы знаете?

В системе СИ — в Ньютонах на Кулон или в Вольтах на метр (В/м или V/m).

Что такое потенциал электрического поля, в чем он измеряется?

Потенциал электрического поля — энергетическая характеристика электрического поля; скалярная величина, равная отношению потенциальной энергии заряда в поле к величине этого заряда. В СИ потенциал электрического поля измеряется в вольтах( или Дж/ Кл)

Что такое электрическое напряжение?

Напряжение между точками A и B электрической цепи или электрического поля — отношение работы электрического поля при переносе пробного электрического заряда из точки A в точку B к величине пробного заряда.

 

Что такое электрический ток?

Электрический ток— упорядоченное движение заряженных частиц.

 

Что такое плотность электрического тока, в чем она измеряется?

Пло́тность то́ка — векторная физическая величина, имеющая смысл силы тока, протекающего через единицу площади. Например, при равномерном распределении плотности:

Единицы измерения СИ: А/м2

Как выразить плотность тока проводимости и плотность тока смещения?

В линейной и изотропной проводящей среде плотность тока связана с

 

 

напряжённостью электрического поля в данной точке по закону Ома: где — удельная проводимость среды [1/Oм·м], — напряжённость [В/м] D- вектор электрического смещения

 

Сформулируйте закон Ампера.

Сила , с которой магнитное поле действует на элемент проводника с током, находящегося в магнитном поле, прямо пропорциональна силе тока I в проводнике и векторному произведению элемента длины проводника на магнитную индукцию :


.

 

 

В чем суть правила Ленца?

Правило Ленца, правило для определения направления индукционного тока: Индукционный ток, возникающий при относительном движении проводящего контура и источника магнитного поля, всегда имеет такое направление, что его собственный магнитный поток компенсирует изменения внешнего магнитного потока, вызвавшего этот ток.

Что такое индуктивность?

Индукти́вность (или коэффициент самоиндукции) — коэффициент пропорциональности между электрическим током, текущим в каком-либо замкнутом контуре и магнитным потоком, создаваемым этим током через поверхность, краем которой является этот контур. — магнитный поток, I — ток в контуре, L — индуктивность.

 

Мощность постоянного тока

Так как значения силы тока и напряжения постоянны и равны мгновенным значениям в любой момент времени, то среднюю мощность можно вычислить по формулам:

Закон Джоуля – Ленца

Закон Джоуля — Ленца — физический закон, дающий количественную оценку теплового действия электрического тока.

 

 

Что такое электрический заряд? Какие виды зарядов Вы знаете?

Электрический заряд — это связанное с телом свойство, позволяющее ему быть источником электрического поля и участвовать в электромагнитных взаимодействиях.

Электрический заряд— количество электричества, содержащееся в данном теле.

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


Рекомендуемые страницы:

Электрический заряд — физика, уроки

Глава «Электростатика» Урок 1-2 по теме “Электрический заряд»

Цели:

Обучающая – уточнить содержание понятия «электрический заряд», рассмотреть свойства частиц, имеющих электрический заряд, сформировать понятие электрического заряда через его свойства, определить виды электрического заряда, процессы накопления электрического заряда, взаимодействие электрических зарядов,

Показать роль российских ученых в формировании данного понятия, рассмотреть примеры применения электризации.

Развивающая – продолжить работу по формированию навыков самостоятельной и групповой работы с большими массивами информации, поиска и переработки, выполнение умозаключений по выполненным опытам, а также практического применения этой информации.

Воспитательная – продолжить формирование навыков рефлексии. развитие интереса к научным историческим опытам.

Оборудование: стеклянная и эбонитовая палочки, гильзы, штатив, электростатическая машина, кусочки меха и шелка, сосуд с водой, воздушные шары, наполненные воздухом и гелием, закрепленные на потолке, проектор, компьютер.

План урока

Этап урока

Деятельность педагога

Деятельность учащихся

Результат

Примечание

Ориентировочно – мотивационный этап

Цель этапа: Организация внимания, повышение мотивации.  

Создание положительного настроя на работу.

Подготовка к занятию: обращается внимание на воздушные шары, предлагается вопрос по отсроченной отгадке на вопрос: почему шары находятся под потолком, какие силы их удерживают?

Подготовка к восприятию новой темы.

Использование слайдов.

Операционально-исполнительский этап

Создание проблемной ситуации

1.Вступительное слово об электродинамике и электростатике.

2.Опыт с воздушными шарами.

3.Опыт с мелкими бумажками.

4. со струйкой воды

Вывод:

1.Существуют виды сил, которые могут значительно превосходить гравитационные.

2.Существование электромагнитных сил указывает на наличие электрического заряда.

Выделение наиболее активных учащихся, умеющих выполнять умозаключения.

Работа со слайдами. Использование слайдов, выполнение опытов

Обобщение

Вывод понятия электрический заряд:

Тело обладает электрическим зарядом, если оно взаимодействует с другими телами, с силами , превосходящими гравитационные во много раз и также убывающими с расстоянием.

Запись в тетради.

Выделение учебных действий:

Сравнение, обобщение, применение знаний для ознакомления со свойствами электрических зарядов.

  1. Опыт с гильзами.

  2. Опыт по делению электрического заряда.

  3. Работа с электрометром и электроскопом.

(определение свойства электрических зарядов, которые положены в основу работы приборов)

8.Элементарный электрический заряд.

9.Электризация трением.

Опыт по равенству зарядов при электризации.

10. Электризация воздействием.

(опыт с шаром электрометра).

Вывод:

1.Существует два вида взаимодействий.

2.Существуют электрические заряды двух видов.

3.Одноименные заряды – отталкиваются,

4.Разноименные – притягиваются.

Работа со схемами и выделение основных принципов устройства приборов.

При электризации происходит перераспределение электрических зарядов

Запись в тетради символами.

«+» и «+» — отталкиваются,

«+» и «-« — притягиваются.

q – заряд

q = N *e –заряд тела равен произведению количества электронов и заряду одного электрона.

e=1, 6 *10-19 Кл

Просмотр слайдов.

Рефлекторно – оценочный этап.

Применение электризации:

Ксерокс,

Очистка от примесей

дыма.

Учет электризации в легкой промышленности.

Рассматривается принцип действия ксерокса

Оценка усвоения темы.

тесты на бумажном носителе.

Проводится итоговая

самооценка.

Критерии самооценки по тестовым материалам.

Выполняется тест по теме «Электрический заряд»

План – конспект учебного занятия.

Урок 1-2 в разделе «ЭЛЕКТРОДИНАМИКА».

Тема занятия «Электрический заряд».

Цели занятия:

Обучающая – понятия «электрический заряд», рассмотреть свойства частиц, имеющих электрический заряд, сформировать понятие электрического заряда через его свойства, определить виды электрического заряда, процессы накопления электрического заряда, взаимодействие электрических зарядов, провести аналогию между гравитационными и электрическими силами. Объяснить электрический смысл понятия «электризации». Рассмотреть закон сохранения электрического заряда.

Показать роль российских ученых в формировании данного понятия, рассмотреть примеры применения электризации.

Развивающая – Продолжить работу по формированию навыков самостоятельной и групповой работы с большими массивами информации, поиска и переработки, выполнение опытам: строить гипотезы, умозаключения, развития речи с применением терминов науки, а также практического применения этой информации.

Воспитательная – Повышение мотивации к изучению дисциплины, продолжить формирование навыков рефлексии, формирование критического мышления.

В результате изучения темы обучающиеся должны знать:

Электрический заряд, закон сохранения электрического заряда, закон Кулона, элементарный электрический заряд, дискретность заряда.

уметь: определять электрический заряд ионов, применять закон сохранения электрического заряда к замкнутой системе тел, объяснять электризацию тел.

Используемые методы: проблемные ситуации, метод «отсроченного ответа», методы иллюстраций и демонстраций.

Ориентировочно – мотивационный этап

Вступительное слово учителя: Сегодня мы начинаем изучать новый раздел физики «Электродинамика», который посвящен изучению свойств и закономерностей электрического поля и электрического заряда. Данное занятие посвящено изучению основного понятия «электрический заряд». Сообщается обучающая цель занятия.

Сегодня вашему вниманию будет предложено большое количество опытов, интересные исторические справки из курса физики, которые помогут нам сформировать понятие электрический заряд.

Операционно-исполнительский этап:

Вот перед вами первая загадка: Под потолком находятся два шара, эффект один и тот же – шары находятся под потолком, а вот причина – разная.

Вторая загадка – портреты каких ученых даны на 1 слайде?

Нам предстоит к концу занятия ответить на вопрос: какая сила удерживает шары под потолком и почему?

ОПЫТ 1:Для ответа на данный вопрос проделаем первые опыты: опыт с мелкими бумажками и наэлектризованной палочкой. ( пока выполняется опыт идет легенда о появлении слова «электрос»- янтарь. В руках одной из дочерей египетского богатого человека находилось веретено из янтаря, которое очень мешало ей в работе, т. к. шерсть налипала и путалась при работе. Почему же это происходило?) При выполнении опытов с бумажками, первоначально обращается внимание на то, что они падают на стол под действием силы тяжести. Под действием наэлектризованной палочки они удерживаются на ней, следовательно сила притяжения палочки больше, чем сила гравитации.

ОПЫТ 2:Демонстрация второго опыта: с тонкой струйкой воды и наэлектризованной палочкой. Струйка воды отклоняется от вертикального положения. Следовательно, сила гравитации воды меньше силы притяжения палочки.

ВЫВОДЫ:

1. Существуют виды сил, которые могут значительно превосходить гравитационные.

2.Существование электромагнитных сил указывает на наличие электрического заряда.

Тело обладает электрическим зарядом, если оно взаимодействует с другими телами, с силами, превосходящими гравитационные.

ОПЫТ 3…Рассмотрим свойства тел, обладающих электрическими зарядами.

Рассмотрим виды взаимодействий тел, обладающих электрическими зарядами разных знаков. ( демонстрируем слайды с информацией о Дюфе и его работах). Одну гильзу зарядим от эбонитовой палочки ( эбонит – это смола хвойных сортов деревьев, где содержание серы очень большое), вторую гильзу зарядим от стеклянной палочки потертой о шерсть.

Наблюдаем притяжение двух гильз, т.к. возникает электрическая сила притяжения.

Пронаблюдаем взаимодействие двух гильз заряженных от одной и той же палочки, видим отталкивание этих гильз, т.к. возникает электрическая сила отталкивания.

ВЫВОД:

  1. Существует два вида взаимодействий.

  2. Существуют электрические заряды двух видов.

  3. Одноименные заряды – отталкиваются,

  4. Разноименные – притягиваются.

ОПЫТ 4: При выполнении опыта 3 мы пронаблюдали и успешно использовали свойство деления электрического заряда. Рассмотрим его более подробно, используя для этого прибор электрометр. Наэлектризуем палочку и поднесем к шару электрометра, стрелка электрометра отклонятся на определенное значение. Отклонение стрелки происходит потому что заряды стрелки и оси электрометра одинаковые. Соединим первый электрометр со вторым металлическим стержнем на изолированной ручке. Второй электрометр показывает, что часть заряда перешла с первого электрометра на второй.

ВЫВОД: Электрический заряд способен делиться. Демонстрация слайдов о Ш.Кулоне и его законе. Закон Кулона: Сила взаимодействия двух неподвижных точечных электрических зарядов прямо пропорциональна произведению модулей зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.

F= k

Тело обладает электрическим зарядом, если оно взаимодействует с другими телами, с силами, превосходящими гравитационные во много раз и также убывающими с расстоянием.

В честь Ш.Кулона единица заряда названа КУЛОН (Кл).

ОПЫТ 5: Рассмотрим процесс электризации. Поднесем первоначально до электризации к электрометру лист полиэтилена и палочку поочередно. Электрометр показывает ноль.

Потрем палочку о лист полиэтилена. Поднесем к электрометру палочку, оставим палочку в шаре, электрометр показывает какое-то значение, затем поднесем лист полиэтилена, наблюдаем, что стрелка электрометра устанавливается на ноль (в кабинете в наличии нет двух лопаточек).

ВЫВОД:

  1. При электризации два тела накапливают заряд равный по модулю, но противоположный по знаку, поэтому в сумме остается ноль.

  2. Сумма электрических зарядов тел, входящих в замкнутую систему остается постоянной

q1+q2+q3+….= const закон сохранения электрического заряда

Демонстрируется слайд: Опыт Милликена и Иоффе.

ВЫВОД: Заряд любого тела кратен заряду электрона(это свойство дискретность электрического заряда).

Применение электризации:

  • Ксерокс (рассказ по слайду принципа действия ксерокса)

  • Очистные сооружения.

  • Учет трения в производстве легкой промышленности.

  • Мукомольный и химический заводы, цементные заводы.

  • Копчение рыбы на рыбокомбинатах.

  • Покраска автомобилей.

Рефлекторно – оценочный этап:

Мы рассмотрели тему «Электрический заряд», на последнем этапе занятия вам предлагается тест, выполнение которого покажет уровень усвоения материала.

Эталон ответов для проверки теста

№ вопроса

1

2

3

4

5

6

7

8

верный ответ

А

Б

В

А

В

А

А

В

Мы изучили материал занятия, вернемся к вопросам, поставленным на занятии ( если есть желающие, то ответы озвучивают студенты):

Почему шары находятся под потолком?

Один из шаров накачан гелием, причиной удерживающей его под потолком является сила Архимеда, т. к. гелий имеет меньшую плотность, чем воздух поэтому Архимедова сила выталкивает шар из воздуха. Второй шар находится под потолком – это наэлектризованный шар, если мы коснемся его рукой, то снимем электрический заряд, т.к. электрический заряд способен делиться, и шар упадет на пол. Попробуем выполнить эту работу с первым и вторым шаром. Определим, в каком из них находится гелий.

Второй вопрос: портреты каких ученых находятся на первом слайде?

Первый портрет принадлежит ученому Шарлю Кулону, впервые измерившему силу взаимодействия двух неподвижных точечных зарядов.

На втором потрете изображен американскому ученому Роберту Милликену, впервые определившему значение заряда электрона, доказавшему дискретность электрического заряда.

На третьем портрете изображен Георг Рихман, изучавший атмосферное электричество.

Домашнее задание: Обработать материал лекции: выделить в ней свойства электрического заряда. Выучить закон Кулона. Составить 5 вопросов с вариантами ответов по закону Кулона. Ответить на вопрос: Мерой чего является электрический заряд.

Тест по теме «Электрический заряд»

Инструкция к выполнению: Вашему вниманию представлен материал по теме «Электрический заряд», получив на занятии фундаментальные знания по теме, вам необходимо на каждый вопрос дать единственно верный ответ. Желаю успеха в работе.

1.Можно ли на концах стеклянной палочки получить два одновременно существующих разноименных заряда?

А) нельзя

Б). Можно, если один конец палочки заземлить, а другой натереть мехом

В) Можно, если один конец натереть шелком, а другой — мехом

2.Можно ли наэлектризовать трением однородные тела, например, стекло о стекло?

А) можно Б) нельзя В) можно, если сила трения большая

3. Можно ли уничтожить электрический заряд?

А) Нельзя создать, уничтожить можно

Б) Можно уничтожить

В) Электрический заряд уничтожить нельзя, т. к. это свойство частиц

4.Первая капля воды имеет избыток в 4 электрона, она сливается со второй каплей, которая имеет недостаток 3 электронов. Чему равен заряд образованной капли?

А) один электрон Б) 7 электронов В) капля нейтральна

5. На каком из рисунков верно изображены силы взаимодействия заряженных тел?

А) Б) В)

6.Каков физический смысл утверждения «Положительно заряженное тело»?

А) тело имеет недостаток электронов Б) тело имеет избыток электронов

В) тело имеет недостаток протонов

7. Устройство для очистки воздуха имеет чередующиеся пластины со знаками плюс и минус. Каково их назначение?

А)   первоначально частицы приобретают знак, а затем оседают на пластинах противоположной полярности

Б) частицы оседают на пластинах противоположных знаков

В) противоположные пластины притягиваются друг к другу

8. Как изменится сила взаимодействия между заряженными телами, если расстояние между зарядами увеличить в 2 раза, а заряд оставить прежним?

А) увеличиться в 2 раза Б) уменьшиться в 2 раза В) уменьшиться в 4 раза

Электризация тел.

Два вида электрических зарядов. Взаимодействие электрических зарядов. Закон сохранения электрического заряда

1. Если стеклянную палочку потереть о шёлк или бумагу, то она приобретёт способность притягивать лёгкие тела, например бумажки, волосы и пр. Тот же эффект можно наблюдать, если поднести к лёгким предметам эбонитовую палочку, потертую о мех. Тела, которые в результате трения приобретают способность притягивать другие тела, называют наэлектризованными или заряженными, а явление приобретения телами электрического заряда называют электризацией.

Подвесив на двух нитях лёгкие шарики из фольги и коснувшись каждого из них стеклянной палочкой, потёртой о шёлк, можно увидеть, что шарики оттолкнутся друг от друга. Если потом коснуться одного шарика стеклянной палочкой, потёртой о шёлк, а другого эбонитовой палочкой, потёртой о мех, то шарики притянутся друг к другу. Это означает, что стеклянная и эбонитовая палочки при трении приобретают заряды разных знаков, т. е. в природе существуют два рода электрических зарядов, имеющих противоположные знаки: положительный и отрицательный. Условились считать, что стеклянная палочка, потёртая о шёлк, приобретает положительный заряд, а эбонитовая палочка, потёртая о мех, приобретает отрицательный заряд.

Из описанного опыта также следует, что заряженные тела взаимодействуют друге другом. Такое взаимодействие называют электрическим. При этом одноимённые заряды, т.е. заряды одного знака, отталкиваются друг от друга, а разноимённые заряды притягиваются друг к другу.

На явлении отталкивания одноимённо заряженных тел основано устройство электроскопа — прибора, позволяющего определить, заряжено ли данное тело (рис. 77), и электрометра, прибора, позволяющего оценить значение электрического заряда (рис. 78).

Если заряженным телом коснуться стержня электроскопа, то листочки электроскопа разойдутся, поскольку они приобретут заряд одного знака. То же произойдёт со стрелкой электрометра, если коснуться заряженным телом его стержня. При этом, чем больше заряд, тем на больший угол отклонится стрелка от стержня.

2. Из простых опытов следует, что сила взаимодействия между заряженными телами может быть больше или меньше в зависимости от величины приобретённого заряда. Таким образом, можно сказать, что электрический заряд, с одной стороны, характеризует способность тела к электрическому взаимодействию, а с другой стороны, является величиной, определяющей интенсивность этого взаимодействия.

Заряд обозначают буквой ​\( q \)​, за единицу заряда принят кулон: ​\( [q] \)​ = 1 Кл.

Если коснуться заряженной палочкой одного электрометра, а затем этот электрометр соединить металлическим стержнем с другим электрометром, то заряд, находящийся на первом электрометре, поделится между двумя электрометрами. Можно затем соединить электрометр с ещё несколькими электрометрами, и заряд будет делиться между ними. Таким образом, электрический заряд обладает свойством делимости. Пределом делимости заряда, т. е. наименьшим зарядом, существующим в природе, является заряд электрона. Заряд электрона отрицателен и равен 1,6·10-19 Кл. Любой другой заряд кратен заряду электрона.

3. Электрон — частица, входящая в состав атома. В истории физики существовало несколько моделей строения атома. Одна из них, позволяющая объяснить ряд экспериментальных фактов, в том числе явление электризации, была предложена Э. Резерфордом. На основании проделанных опытов он сделал вывод о том, что в центре атома находится положительно заряженное ядро, вокруг которого по орбитам движутся отрицательно заряженные электроны. У нейтрального атома положительный заряд ядра равен суммарному отрицательному заряду электронов. Ядро атома состоит из положительно заряженных протонов и нейтральных частиц нейтронов. Заряд протона по модулю равен заряду электрона. Если из нейтрального атома удалены один или несколько электронов, то он становится положительно заряженным ионом; если к атому присоединяются электроны, то он становится отрицательно заряженным ионом.

Знания о строении атома позволяют объяснить явление электризации трением. Электроны, слабо связанные с ядром, могут отделиться от одного атома и присоединиться к другому. Это объясняет, почему на одном теле может образоваться недостаток электронов, а на другом — их избыток. В этом случае первое тело становится заряженным положительно, а второе — отрицательно.

4. Если потереть незаряженные стеклянную и эбонитовую пластинки друг о друга и затем внести их по очереди в полый шар, надетый на стержень электрометра, то электрометр зафиксирует наличие заряда и у стеклянной, и у эбонитовой пластинки. При этом можно показать, что пластинки будут иметь заряд противоположных знаков. Если в шар внести обе пластины стрелка электрометра останется на нуле. Подобное можно обнаружить, если потереть эбонитовую палочку о мех: мех, так же как и палочка, будет заряжен, но зарядом противоположного знака.

В результате трения электроны перешли со стеклянной пластины на эбонитовую, и стеклянная пластина оказалась заряженной положительно (недостаток электронов), а эбонитовая отрицательно (избыток электронов). Таким образом, при электризации происходит перераспределение заряда, электризуются оба тела, приобретая равные по модулю заряды противоположных знаков.

При этом алгебраическая сумма электрических зарядов до и после электризации остаётся постоянной: ​\( q_1+q_2+…+q_n=const \)​.

В описанном опыте ​\( q_n \)​ алгебраическая сумма зарядов пластин до и после электризации равна нулю.

Записанное равенство выражает фундаментальный закон природы — закон сохранения электрического заряда. Как и любой физический закон, он имеет определённые границы применимости: он справедлив для замкнутой системы тел, т.е. для совокупности тел, изолированных от других объектов.

ПРИМЕРЫ ЗАДАНИЙ

Часть 1

1. Если массивную гирю поставить на пластину из изолятора и соединить с электрометром, а затем несколько раз ударить по ней куском меха, то гиря приобретёт отрицательный заряд и стрелка электрометра отклонится. При этом кусок меха приобретёт заряд

1) равный нулю
2) положительный, равный по модулю заряду гири
3) отрицательный, равный заряду гири
4) положительный, больший по модулю заряда гири

2. Два точечных заряда будут притягиваться друг к другу, если заряды

1) одинаковы по знаку и любые по модулю
2) одинаковы по знаку и обязательно одинаковы по модулю
3) различны по знаку, но обязательно одинаковы по модулю
4) различны по знаку и любые по модулю

3. На рисунках изображены три пары одинаковых лёгких заряженных шариков, подвешенных на шёлковых нитях. Заряд одного из шариков указан на рисунках. В каком(-их) случае(-ях) заряд второго шарика может быть отрицателен?

1) только А
2) А и Б
3) только В
4) А и В

4. Ученик во время опыта по изучению взаимодействия металлического шарика, подвешенного на шёлковой нити, с положительно заряженным пластмассовым шариком, расположенным на изолирующей стойке, зарисовал в тетради наблюдаемое явление: нить с шариком отклонилась от вертикали на угол ​\( \alpha \)​. На основании рисунка можно утверждать,что металлический шарик

1) имеет положительный заряд
2) имеет отрицательный заряд
3) не заряжен
4) либо не заряжен, либо имеет отрицательный заряд

5. Отрицательно заряженное тело отталкивает подвешенный на нити лёгкий шарик из алюминиевой фольги. Заряд шарика:

A. положителен
Б. отрицателен
B. равен нулю

Верными являются утверждения:

1) только Б
2) Б и В
3) А и В
4) только В

6. Металлический шарик 1, укреплённый на длинной изолирующей ручке и имеющий заряд ​\( +q \)​, приводят поочерёдно в соприкосновение с двумя такими же изолированными незаряженными шариками 2 и 3, расположенными на изолирующих подставках.

Какой заряд в результате приобретёт шарик 2?

1) 0
2) ​\( \frac{q}{4} \)​
3) \( \frac{q}{3} \)
4) \( \frac{q}{2} \)

7. От капли, имеющей электрический заряд ​\( -2e \)​, отделилась капля с зарядом ​\( +e \)​. Каков электрический заряд оставшейся части капли?

1) \( -e \)
2) \( -3e \)
3) \( +e \)
4) \( +3e \)

8. Металлическая пластина, имевшая отрицательный заряд \( -10e \), при освещении потеряла четыре электрона. Каким стал заряд пластины?

1) \( +6e \)
2) \( +14e \)
3) \( -6e \)
4) \( -14e \)

9. К водяной капле, имевшей электрический заряд \( +5e \) присоединилась кайля с зарядом \( -6e \). Каким станет заряд объединенной капли?

1) \( +e \)
2) \( -e \)
3) \( +11e \)
4) \( -11e \)

10. На рисунке изображены точечные заряженные тела. Тела А и Б имеют одинаковый отрицательный заряд, а тело В равный им по модулю положительный заряд. Каковы модуль и направление равнодействующей силы, действующей на заряд Б со стороны зарядов А и В?

1) ​\( F=F_А+А_В \)​; направление 2
2) \( F=F_А-А_В \); направление 2
3) \( F=F_А+А_В \); направление 1
4) \( F=F_А-А_В \); направление 1

11. Из перечня приведённых ниже высказываний выберите два правильных и запишите их номера в таблицу.

1) Сила взаимодействия между электрическими зарядами тем больше, чем больше расстояние между ними.
2) При электризации трением двух тел их суммарный заряд равен нулю.
3) Сила взаимодействия между электрическими зарядами тем больше, чем больше заряды.
4) При соединении двух заряженных тел их общий заряд будет меньше, чем алгебраическая сумма их зарядов до соединения.
5) При трении эбонитовой палочки о мех заряд приобретает только эбонитовая палочка.

12. В процессе трения о шёлк стеклянная линейка приобрела положительный заряд. Как при этом изменилось количество заряженных частиц на линейке и шёлке при условии, что обмен атомами при трении не происходил? Установите соответствие между физическими величинами и их возможными изменениями при этом. Запишите в таблицу выбранные цифры под соответствующими буквами. Цифры в ответе могут повторяться.

ФИЗИЧЕСКАЯ ВЕЛИЧИНА
A) количество протонов на шёлке
Б) количество протонов на стеклянной линейке
B) количество электронов на шёлке

ХАРАКТЕР ИЗМЕНЕНИЯ
1) увеличилась
2) уменьшилась
3) не изменилась

Ответы

Электризация тел. Два вида электрических зарядов. Взаимодействие электрических зарядов. Закон сохранения электрического заряда

5 (100%) 3 votes

Электрическое поле. Виды и работа. Применение и свойства

Электрическое поле – это векторное поле, действующее вокруг частиц обладающих электрическим зарядом. Оно входит в состав электромагнитного поля. Для него характерно отсутствие реальной визуализации. Оно невидимо, и может быть замечено только в результате силового воздействия, на которое реагируют другие заряженные тела с противоположными полюсами.

Как устроено и действует электрическое поле

По сути, поле является особым состоянием материи. Его действие проявляется в ускорении тел или частиц, обладающих электрическим зарядом. К его характеризующим особенностям, можно отнести:

  • Действие только при наличии электрического заряда.
  • Отсутствие границ.
  • Наличие определенной величины воздействия.
  • Возможность определения только по результату действия.

Поле неразрывно связано с зарядами, которые находятся в определенной частице или теле. Оно может образовываться в двух случаях. Первый предусматривает его появление вокруг электрических зарядов, а второй при перемещении электромагнитных волн, когда меняется электромагнитное поле.

Электрические поля воздействуют на неподвижные относительно наблюдателя электрически заряженные частицы. В результате они получают силовое влияние. Пример воздействия поля можно наблюдать и в быту. Для этого достаточно создать электрический заряд. Учебники физики предлагают для этого простейший пример, когда диэлектрик натирается о шерстяное изделие. Получить поле вполне возможно, взяв пластиковую шариковую ручку и потерев ее о волосы. На ее поверхности образуется заряд, что приводит к появлению электрического поля. Как следствие ручка притягивает мелкие частицы. Если ее преподнести к мелко разорванным кусочкам бумаги, то они будут притягиваться к ней. Такой же результат можно достигнуть и при использовании пластиковой расчески.

Бытовым примером проявления электрического поля является образование мелких световых вспышек при снятии одежды из синтетических материалов. В результате нахождения на теле диэлектрические волокна накапливают вокруг себя заряды. При снятии такого предмета одежды электрическое поле подвергается различным силам воздействия, что и приводит к образованию световых вспышек. Особенно это характерно для зимней одежды, в частности свитеров и шарфов.

Свойства поля
Для характеристики электрического поля применяется 3 показателя:
  • Потенциал.
  • Напряженность.
  • Напряжение.
Потенциал

Данное свойство является одним из главных. Потенциал указывает на количество накопленной энергии применяемой для перемещения зарядов. По мере их сдвига энергия расточается, постепенно приближаясь к нулю. Наглядной аналогией данного принципа может выступить обыкновенная стальная пружина. В спокойном положении она не обладает никаким потенциалом, но только до того момента, пока не будет сжата. От такого воздействия она получает энергию противодействия, поэтому после прекращения влияния обязательно разогнется. Когда пружина отпускается, то моментально распрямляется. Если на ее пути окажутся предметы, она начнет их двигать. Возвращаясь непосредственно к электрическому полю потенциал можно сравнить с приложенными усилиями на выпрямление назад.

Электрическое поле обладает потенциальной энергией, что и делает его способным выполнять определенное воздействие. Но перемещая заряд в пространстве, оно истощает свой ресурс. В том же случае если передвижение заряда внутри поля осуществляется под воздействием сторонней силы, то поле не только не теряет свой потенциал, но и пополняет его.

Также для большего понимания данной величины можно привести еще один пример. Предположим, что незначительный положительно заряженный заряд располагается далеко за пределами действия эл. поля. Это делает его совершенно нейтральным и исключает взаимный контакт. Если же в результате воздействия любой сторонней силы заряд будет двигаться по направлению к электрическому полю, то достигнув его границы, будет втянут в новую траекторию. Энергия поля, затраченная на влияние относительно заряда в определенной точке воздействия, и будет называться потенциалом на этой точке.

Выражение электрического потенциала осуществляется через единицу измерения Вольт.

Напряженность

Этот показатель применяется для количественного выражения поля. Данная величина рассчитывается как отношение положительного заряда воздействующего на силу действия. Простым языком напряженность выражает силу эл.поля в определенном месте и времени. Чем выше напряженность, тем более выраженным будет влияние поля на окружающие предметы или живые существа.

Напряжение

Этот параметр образуется от потенциала. Он применяется для демонстрации количественного соотношения действия, которое производит поле. То есть, сам потенциал показывает объем накопленной энергии, а напряжение демонстрирует потери на обеспечение движения зарядов.

В электрическом поле положительные заряды перемещаются от точек с высоким потенциалом в места, где он ниже. Что касается отрицательных зарядов, то они движутся противоположно. Как следствие осуществляется работа с использованием потенциальной энергии поля. Фактически напряжение между точками качественно выражает работу, совершенную полем для переноса единицы противоположно заряженных зарядов. Таким образом, термины напряжение и разность потенциалов это одно и то же.

Наглядное проявление поля

Электрическое поле имеет условное визуальное выражение. Для этого применяются графические линии. Они совпадают с линиями воздействия силы, которые излучают заряды вокруг себя. Помимо линии действия сил, также важно их направление. Для классификации линий за основу определения направлений принято использовать положительный заряд. Таким образом, стрелка движения поля идет от положительных частиц к отрицательным.

Чертежи, изображающие эл.поля, на линиях имеют направление в виде стрелки. Схематически в них всегда есть условное начало и конец. Таким образом, они не замыкаются сами на себе. Силовые линии берут свое начало на точке нахождения положительного заряда и заканчиваются на месте отрицательных частиц.

Электрическое поле может иметь различные типы линий в зависимости не только от полярности заряда, который способствует их образованию, но и наличию сторонних факторов. Так, при встрече противоположных полей они начинают действовать друг на друга притягательно. Искаженные линий приобретают очертания гнутых дуг. В том же случае, когда встречаются 2 одинаковых поля, то они отталкиваются в противоположные стороны.

Сфера применения

Электрическое поле обладает рядом свойств, которые нашли полезное применение. Данное явление используется при создании различного оборудования для работы в нескольких весьма важных сферах.

Использование в медицине

Воздействия электрического поля на определенные участки тела человека позволяет повышать его фактическую температуру. Это свойство нашло свое применение в медицине. Специализированные аппараты обеспечивают воздействия на необходимые участки поврежденных или больных тканей. В результате чего улучшается их кровообращение и возникает заживляющий эффект. Поле воздействует с высокой частотой, поэтому точечное влияние на температуру дает свои результаты и вполне ощутимо для больного.

Применение в химии

Данная сфера науки предусматривает использования различных чистых или смешанных материалов. В связи с этим работа с эл.полями не могла обойти эту отрасль. Компоненты смесей взаимодействуют с электрическим полем по-разному. В химии это свойство применяется для разделения жидкостей. Данный метод нашел лабораторное применение, но встречается и в промышленности, хотя и реже. К примеру, при воздействии полем осуществляется отделения в нефти загрязняющих компонентов.

Электрическое поле применяется для обработки при фильтрации воды. Оно способно отделить отдельные группы загрязняющих веществ. Такой способ обработки намного дешевле, чем использование сменных картриджей.

Электротехника

Использование электрического поля имеет весьма интересное применение в электротехнике. Так, был разработан способ беспроводной передачи электричества от источника до потребителя. До недавнего времени все разработки имели теоретический и экспериментальный характер. Уже имеется эффективная реализация технологии зарядки телефона без применения непосредственного гибкого кабеля вставляемого в USB разъем смартфона. Данный способ пока не позволяет передавать энергию на продолжительное расстояние, но он совершенствуется. Вполне возможно, что в ближайшем будущем надобность в зарядных кабелях с блоками питания отпадет полностью.

При выполнении электромонтажных и ремонтных работ применяется светодиодная индикаторная отвертка, действующая на основе схемы полевого транзистора. Помимо ряда функций, она может реагировать на электрическое поле. Благодаря этому при приближении пробника к фазному проводу индикатор начинает светиться без фактического касания к токопроводящей жиле. Он реагирует на поле исходящие от проводника даже сквозь изоляцию. Наличие электрического поля позволяет находить токопроводящие провода в стене, а также определять точки их разрыва.

Защититься от воздействия эл.поля можно при помощи металлического экрана, внутри которого его не будет. Это свойство широко применяется в электронике, чтобы исключить взаимное влияние электрических схем, которые расположены довольно близко друг к другу.

Возможности применения в будущем

Имеются и более экзотические возможности для электрического поля, которыми на сегодняшний день еще не обладает наука. Это коммуникации быстрее скорости света, телепортация физических объектов, перемещение за один миг между разомкнутыми местоположениями (червоточины). Однако для осуществления подобных планов будут нужны куда более сложные исследования и эксперименты, чем проведение экспериментов с двумя возможными исходами.

Однако наука все время развивается, открывая все новые возможности применения электр. поля. В будущем его сфера использования может значительно расшириться. Возможно, что оно найдет применение во всех значимых областях нашей жизни.

Похожие темы:

1.1 Электрический заряд

Два вида электрического заряда. В современном представлении электрический заряд является таким же фундаментальным свойством микрочастицы, как, например, спин или её масса, а его существование в двух видах, называемых положительным и отрицательным зарядами, является проявлением фундаментальной симметрии, подобно правому и левому в пространстве или четности и нечетности в микромире.

Квантование электрического заряда. На основании большого числа экспериментов установлено, что электрический заряд квантуется, т. е. заряд любого тела кратен целому числу элементарных зарядов, каждый из которых имеет величину, равную 1,60×1019 Кл. Этот элементарный заряд принято обозначать буквой e. Частицей с отрицательным элементарным зарядом является электрон (me = 9,11×1031 кг). Примером устойчивой частицы с положительным элементарным зарядом служит протон (mр = 1,67×1027 кг). Известна также частица с массой, равной массе электрона, и зарядом, равным заряду протона, получившая название позитрон.

Макроскопические тела, как правило, электрически нейтральны, т. е. в них в равных количествах содержатся как положительные, так и отрицательные заряды. Зарядить тело можно, создав в нем избыток заряженных частиц одного вида, например, трением о другое тело, в котором при этом образуется избыток зарядов противоположного вида. Учитывая наличие элементарного заряда, полный электрический заряд любого тела можно представить как  q = ± N e, где N — целое число.

Сохранение электрического заряда. В 1747 г. американский физик Б. Франклин установил один из фундаментальных законов природы — закон сохранения электрического заряда, физической основой которого является точное равенство величин положительного и отрицательного элементарных зарядов. Этот закон формулируется так: «Алгебраическая сумма электрических зарядов тел или частиц, образующих электрически изолированную систему, не изменяется при любых процессах, происходящих в этой системе». Электрически изолированной принято считать систему, через поверхность которой нет переноса зарядов.

Релятивистская инвариантность электрического заряда. Фундаментальным свойством электрического заряда является его релятивистская инвариантность. Это свойство тесно связано с сохранением электрического заряда и означает в широком смысле, что в любой инерциальной системе отсчета полный электрический заряд сохраняется. Или в более узком смысле, что находящиеся в различных инерциальных системах наблюдатели, измеряя электрический заряд, получают одно и то же его значение. Таким образом, электрический заряд тела не зависит от того, движется тело или покоится.


Вопросы

1)    В чем заключается закон сохранения заряда. Приведите примеры проявления этого закона

2)    Некоторый заряд имеет в системе отсчета К величину q. Какова будет величина этого заряда q* в системе отсчета К*, движущейся относительно К со скоростью V

3)      Какую систему можно считать электрически изолированной

4)      Металлический шарик имеет 5,0 105 избыточных электронов. Каков его заряд в кулонах? Сколько избыточных электронов останется на шарике после соприкосновения с другим таким же шариком, заряд которого 3,2 10-14 Кл.

Электрический заряд. Статическое электричество

Публикации по материалам Д. Джанколи. «Физика в двух томах» 1984 г. Том 2.

Статическое электричество

Слово электричество происходит от греческого названия янтаря — ελεκτρον.
Янтарь — это окаменевшая смола хвойных деревьев. Древние заметили, что если потереть янтарь куском ткани, то он будет притягивать легкие предметы или пыль. Это явление, которое мы сегодня называем статическим электричеством, можно наблюдать, и натерев тканью эбонитовую или стеклянную палочку или же просто пластмассовую линейку.


Пластмассовая линейка, которую хорошенько потерли бумажной салфеткой, притягивает мелкие кусочки бумаги (рис. 22.1). Разряды статического электричества вы могли наблюдать, расчесывая волосы или снимая с себя нейлоновую блузку или рубашку. Не исключено, что вы ощущали электрический удар, прикоснувшись к металлической дверной ручке после того, как встали с сиденья автомобиля или прошлись по синтетическому ковру. Во всех этих случаях объект приобретает электрический заряд благодаря трению; говорят, что происходит электризация трением.

Все ли электрические заряды одинаковы или существуют различные их виды? Оказывается, существует два вида электрических зарядов, что можно доказать следующим простым опытом. Подвесим пластмассовую линейку за середину на нитке и хорошенько потрем ее куском ткани. Если теперь поднести к ней другую наэлектризованную линейку, мы обнаружим, что линейки отталкивают друг друга (рис. 22.2, а).
Точно так же, поднеся к одной наэлектризованной стеклянной палочке другую, мы будем наблюдать их отталкивание (рис. 22.2,6). Если же заряженный стеклянный стержень поднести к наэлектризованной пластмассовой линейке, они притянутся (рис. 22.2, в). Линейка, по-видимому, обладает зарядом иного вида, нежели стеклянная палочка.
Экспериментально установлено, что все заряженные объекты делятся на две категории: либо они притягиваются пластмассой и отталкиваются стеклом, либо, наоборот, отталкиваются пластмассой и притягиваются стеклом. Существуют, по-видимому, два вида зарядов, причем заряды одного и того же вида отталкиваются, а заряды разных видов притягиваются. Мы говорим, что одноименные заряды отталкиваются, а, разноименные притягиваются.

Американский государственный деятель, философ и ученый Бенджамин Франклин (1706-1790) назвал эти два вида зарядов положительным и отрицательным. Какой заряд как назвать, было совершенно безразлично;
Франклин предложил считать заряд наэлектризованной стеклянной палочки положительным. В таком случае заряд, появляющийся на пластмассовой линейке (или янтаре), будет отрицательным. Этого соглашения придерживаются и по сей день.

Разработанная Франклином теория электричества в действительности представляла собой концепцию «одной жидкости»: положительный заряд рассматривался как избыток «электрической жидкости» против ее нормального содержания в данном объекте, а отрицательный — как ее недостаток. Франклин утверждал, что, когда в результате какого-либо процесса в одном теле возникает некоторый заряд, в другом теле одновременно возникает такое же количество заряда противоположного вида. Названия «положительный» и «отрицательный» следует поэтому понимать в алгебраическом смысле, так что суммарный заряд, приобретаемый телами в каком-либо процессе, всегда равен нулю.

Например, когда пластмассовую линейку натирают бумажной салфеткой, линейка приобретает отрицательный заряд, а салфетка-равный по величине положительный заряд. Происходит разделение зарядов, но их сумма равна нулю.
Этим примером иллюстрируется твердо установленный закон сохранения электрического заряда, который гласит:

Суммарный электрический заряд, образующийся в результате любого процесса, равен нулю.

Отклонений от этого закона никогда не наблюдалось, поэтому можно считать, что он столь же твердо установлен, как и законы сохранения энергии и импульса.

Электрические заряды в атомах

Лишь в прошлом столетии стало ясно, что причина существования электрического заряда кроется в самих атомах. Позднее мы обсудим строение атома и развитие представлений о нем более подробно. Здесь же кратко остановимся на основных идеях, которые помогут нам лучше понять природу электричества.

По современным представлениям атом (несколько упрощенно) состоит из тяжелого положительно заряженного ядра, окруженного одним или несколькими отрицательно заряженными электронами.
В нормальном состоянии положительный и отрицательный заряды в атоме равны по величине, и атом в целом электрически нейтрален. Однако атом может терять или приобретать один или несколько электронов. Тогда его заряд будет положительным или отрицательным, и такой атом называют ионом.

В твердом теле ядра могут колебаться, оставаясь вблизи фиксированных положений, в то время как часть электронов движется совершенно свободно. Электризацию трением можно объяснить тем, что в различных веществах ядра удерживают электроны с различной силой.
Когда пластмассовая линейка, которую натирают бумажной салфеткой, приобретает отрицательный заряд, это означает, что электроны в бумажной салфетке удерживаются слабее, чем в пластмассе, и часть их переходит с салфетки на линейку. Положительный заряд салфетки равен по величине отрицательному заряду, приобретенному линейкой.

Обычно предметы, наэлектризованные трением, лишь некоторое время удерживают заряд и, в конечном итоге, возвращаются в электрически нейтральное состояние. Куда исчезает заряд? Он «стекает» на содержащиеся в воздухе молекулы воды.
Дело в том, что молекулы воды полярны: хотя в целом они электрически нейтральны, заряд в них распределен неоднородно (рис. 22.3). Поэтому лишние электроны с наэлектризованной линейки будут «стекать» в воздух, притягиваясь к положительно заряженной области молекулы воды.
С другой стороны, положительный заряд предмета будет нейтрализоваться электронами, которые слабо удерживаются молекулами воды в воздухе. В сухую погоду влияние статического электричества гораздо заметнее: в воздухе содержится меньше молекул воды и заряд стекает не так быстро. В сырую дождливую погоду предмет не в состоянии надолго удержать свой заряд.

Изоляторы и проводники

Пусть имеются два металлических шара, один из которых сильно заряжен, а другой электрически нейтрален. Если мы соединим их, скажем, железным гвоздем, то незаряженный шар быстро приобретет электрический заряд. Если же мы одновременно коснемся обоих шаров деревянной палочкой или куском резины, то шар, не имевший заряда, останется незаряженным. Такие вещества, как железо, называют проводниками электричества; дерево же и резину называют непроводниками, или изоляторами.

Металлы обычно являются хорошими проводниками; большинство других веществ изоляторы (впрочем, и изоляторы чуть-чуть проводят электричество). Любопытно, что почти все природные материалы попадают в одну из этих двух резко различных категорий.
Есть, однако, вещества (среди которых следует назвать кремний, германий и углерод), принадлежащие к промежуточной (но тоже резко обособленной) категории. Их называют полупроводниками.

С точки зрения атомной теории электроны в изоляторах связаны с ядрами очень прочно, в то время как в проводниках многие электроны связаны очень слабо и могут свободно перемещаться внутри вещества.
Когда положительно заряженный предмет подносится вплотную к проводнику или соприкасается с ним, свободные электроны быстро перемещаются к положительному заряду. Если же предмет заряжен отрицательно, то электроны, наоборот, стремятся удалиться от него. В полупроводниках свободных электронов очень мало, а в изоляторах они практически отсутствуют.

Индуцированный заряд. Электроскоп

Поднесем положительно заряженный металлический предмет к другому (нейтральному) металлическому предмету.

При соприкосновении свободные электроны нейтрального предмета притянутся к положительно заряженному и часть их перейдет на него. Поскольку теперь у второго предмета недостает некоторого числа электронов, заряженных отрицательно, он приобретает положительный заряд. Этот процесс называется электризацией за счет электропроводности.

Приблизим теперь положительно заряженный предмет к нейтральному металлическому стержню, но так, чтобы они не соприкасались. Хотя электроны не покинут металлического стержня, они тем не менее переместятся в направлении заряженного предмета; на противоположном конце стержня возникнет положительный заряд (рис. 22.4). В таком случае говорят, что на концах металлического стержня индуцируется (или наводится) заряд. Разумеется, никаких новых зарядов не возникает: произошло просто разделение зарядов, в целом же стержень остался электрически нейтральным. Однако если бы мы теперь разрезали стержень поперек посредине, то получили бы два заряженных предмета — один с отрицательным зарядом, другой с положительным.

Сообщить металлическому предмету заряд можно также, соединив его проводом с землей (или, например, с водопроводной трубой, уходящей в землю), как показано на рис. 22.5, а. Предмет, как говорят, заземлен. Благодаря своим огромным размерам земля принимает и отдает электроны; она действует как резервуар заряда. Если поднести близко к металлу заряженный, скажем, отрицательно предмет, то свободные электроны металла будут отталкиваться и многие уйдут по проводу в землю (рис. 22.5,6). Металл окажется заряженным положительно. Если теперь отсоединить провод, на металле останется положительный наведенный заряд. Но если сделать это после того, как отрицательно заряженный предмет удален от металла, то все электроны успеют вернуться назад и металл останется электрически нейтральным.

Для обнаружения электрического заряда используется электроскоп (или простой электрометр).

Как видно из рис. 22.6, он состоит из корпуса, внутри которого находятся два подвижных листочка, сделанных нередко из золота. (Иногда подвижным делается только один листочек.) Листочки укреплены на металлическом стержне, который изолирован от корпуса и заканчивается снаружи металлическим шариком. Если поднести заряженный предмет близко к шарику, в стержне происходит разделение зарядов (рис. 22.7, а), листочки оказываются одноименно заряженными и отталкиваются друг от друга, как показано на рисунке.

Можно целиком зарядить стержень за счет электропроводности (рис. 22.7, б). В любом случае, чем больше заряд, тем сильнее расходятся листочки.

Заметим, однако, что знак заряда таким способом определить невозможно: отрицательный заряд разведет листочки точно на такое же расстояние, как и равный ему по величине положительный заряд. И все же электроскоп можно использовать для определения знака заряда-для этого стержню надо сообщить предварительно, скажем, отрицательный заряд (рис. 22.8, а). Если теперь к шарику электроскопа поднести отрицательно заряженный предмет (рис. 22.8,6), то дополнительные электроны переместятся к листочкам и они раздвинутся сильнее. Наоборот, если к шарику поднести положительный заряд, то электроны переместятся от листочков и они сблизятся (рис. 22.8, в), так как их отрицательный заряд уменьшится.

Электроскоп широко применялся на заре электротехники. На том же принципе при использовании электронных схем работают весьма чувствительные современные электрометры.

Данная публикация составлена по материалам книги Д. Джанколи. «Физика в двух томах» 1984 г. Том 2.

Продолжение следует. Коротко о следующей публикации:

Закон Кулона

Сила F, с которой одно заряженное тело действует на другое заряженное тело, пропорциональна произведению их зарядов Q1 и Q2 и обратно пропорциональна квадрату расстояния r между ними.

Альтернативные статьи: Электрический ток, Закон ома.


Замечания и предложения принимаются и приветствуются!

Электрические расходы

Электрический заряд — это основной свойство материи. Этот электрический заряд переносится некоторые элементарные частицы, такие как электроны и протоны.

Когда эти частицы размещенные близко друг к другу, они испытают силу. Эта сила может быть притягательной или отталкивающей.

Типы электрических зарядов

Есть два типа электрические заряды а именно положительные и отрицательные.Электроны называются отрицательно заряженными частицами, а протоны называются положительно заряженными частицами.

Если две заряженные частицы одинакового заряда расположены близко к друг друга, они отталкиваются, потому что сила между ними отталкивающий.С другой стороны, если два заряженные частицы противоположного заряда расположены близко друг к другу, они быть привлеченным, потому что сила настоящее между ними привлекательно. Мы также можно просто определить его как противоположное обвинения привлекают и любят обвинения отталкивать.

An объект считается отрицательно заряженным, если он количество электронов больше, чем протонов. На с другой стороны, если у объекта избыточное количество протонов, чем электронов, то объект называется положительно заряженный. Когда количество электронов и протоны равны, то объект называется нейтральный.
Единица измерения электрического заряда в системе СИ — кулон (Кл). Кулон определяется как количество заряда, которое проходит через проводник, несущий один ампер в секунду. Символ Q используется для обозначают заряд.

Электрометр используется для измерения количества электрического заряда.Это может также измеряется косвенно с помощью баллистический гальванометр.

Около 600 г. до н.э., древний Греческий философ «Фалес Милетский» предложил, чтобы заряд или электричество могли собираться растиранием меха (волос животных, кроме человека) на такие вещества, как янтарь.









Электрический заряд — Энергетическое образование

Рисунок 1.Рисунок, изображающий, как выглядит атом. Электрон имеет отрицательный заряд. Ядро содержит протоны с положительным зарядом и нейтроны с нейтральным зарядом. Обратите внимание, насколько большую площадь занимает электронное облако по сравнению с ядром. [1]

Электрический заряд , или для краткости заряд , является фундаментальным физическим свойством, которое заставляет объекты чувствовать силу притяжения или отталкивания по отношению друг к другу. Основная единица заряда — кулон (Кл).Есть два типа заряда: положительный заряд (проявляемый протонами) и отрицательный заряд (проявляемый электронами). Закон Кулона описывает электрические силы между заряженными частицами; если заряды движутся, электромагнитная сила усложняется.

Движение или поток заряженных частиц — это то, что производит электричество и магнетизм. Фактически, движущийся поток электрического заряда — это электрический ток. Это движение заряда может быть вызвано относительным движением магнита и катушки с проволокой — это основная конструкция электрических генераторов.

Когда количество электронов в атоме не равно количеству протонов, считается, что атом имеет чистый заряд. Заряды складываются точно так же, как положительные и отрицательные числа, поэтому заряд +1 в точности отменяет заряд -1. Вот почему положительные и отрицательные числа используются для обозначения заряда, заряды аннулируются так же, как положительные и отрицательные числа. Когда конкретный атом имеет чистый заряд, этот атом называется ионом (на странице иона есть симуляция PhET об этом). Процесс добавления или снятия заряда с атома называется ионизацией, а когда это делается с помощью излучения, это называется ионизирующим излучением.

Заряд также можно отделить от атомов (что приведет к образованию некоторых ионов) путем трения друг с другом материалов разных типов. Это то, что создает электрическое поле вокруг воздушного шара, который натерли о чьи-то волосы или полотенце. По этой же причине статическое электричество накапливается на одежде, которая валялась в сушилке для одежды. Ниже представлена ​​симуляция PhET разделения заряда трением.

Чтобы узнать больше о зарядке, см. Гиперфизику.

Моделирование PhET при заряде от трения

Университет Колорадо любезно разрешил нам использовать следующее моделирование PhET.Статическое электричество возникает в результате разделения положительного и отрицательного заряда посредством трения (это происходит в сушилке для одежды, поэтому необходимы листы для сушки). Чистые заряды вызывают электрическую силу; обратите внимание на поляризацию стены. Посмотрите анимацию PhET ниже, чтобы узнать, как это работает.

Для дальнейшего чтения

Для получения дополнительной информации см. Соответствующие страницы ниже:

Список литературы

Произошла ошибка: SQLSTATE [42S22]: Столбец не найден: 1054 Неизвестный столбец «rev_user» в «списке полей»

Электрический заряд — Резюме — Гипертекст по физике

Электрический заряд — Резюме — Гипертекст по физике

Сводка

  • Заряд (или более формально , электрический заряд ) — это фундаментальное количество электричества.
    • Электричество — это плата.
    • Никто не может сказать вам, что это за заряд. Они могут только сказать вам, как взаимодействуют заряды.
  • Классическое изучение электричества обычно делится на три основные области.
    • электростатика : изучение сил, действующих между зарядами
    • электрический ток : исследование форм энергии, связанных с потоком заряда
    • электромагнетизм : исследование сил, действующих между зарядами в движении
  • Связь между типами заряда и математическими символами преднамеренная и изобретательная.
    • Электрический заряд бывает двух и только двух видов.
      • положительный (+)
      • отрицательное (-)
    • Термин нейтральный относится не к третьему типу заряда, а к наличию в области положительных и отрицательных зарядов в равной степени.
      • Сумма идентичных положительных и отрицательных величин равна нулю (0). Вот что значит быть электрически нейтральным.
      • Предполагаемый заряд всех макроскопических объектов нейтрален, если не указано иное.
      • Хотя области пространства можно охарактеризовать как «положительные» или «отрицательные», Вселенная в целом электрически нейтральна.
    • Выбор отнесения положительного к одному типу заряда и отрицательного к другому был совершенно произвольным.
      • Не существует объективного теста, который можно было бы использовать, чтобы отличить положительный заряд от отрицательного.
      • Знак заряда можно определить только путем сравнения с уже известным зарядом.
  • Правило действия
    • Подобные заряды отталкивают.
    • Обратные заряды притягиваются.
  • Способы зарядки
    • трибоэлектричество
      • — это разделение заряда, которое происходит, когда разные материалы контактируют, а затем разделяются так, что один материал становится положительным, а другой отрицательным.
      • — метод, с помощью которого был впервые обнаружен электрический заряд
      • часто ошибочно называют «зарядкой трением»
    • проводимость
      • — передача заряда при контакте с уже заряженным предметом
      • также может возникать при пробое диэлектрика
        • При достаточном напряжении можно сделать изолятор проводящим электричество.
        • Искра возникает при пробое диэлектрика в воздухе.
    • индукционный
      • — разделение заряда, которое происходит, когда нейтральный объект приближается к заряженному объекту
      • — это средство, с помощью которого незаряженный объект может быть привлечен к заряженному объекту.
        • Подобные заряды удаляются от заряженного объекта.
        • Противоположные заряды движутся к заряженному объекту.
        • Притяжение преобладает, поскольку одинаковые заряды расположены ближе друг к другу, чем противоположные.
    • Объяснение некоторых методов зарядки лучше оставить на усмотрение химиков этого мира.
      • электрохимический : используется в батареях и электрических рыбках
      • полярность : разделение зарядов в молекулярном масштабе
    • Объяснение некоторых методов зарядки лучше оставить на усмотрение ученых-материаловедов этого мира.
      • пьезоэлектричество : разделение зарядов в материалах под однородным механическим напряжением (сжатие или растяжение)
      • флексоэлектричество : разделение зарядов в материалах неоднородно механическое напряжение (изгиб)
      • пироэлектричество : разделение зарядов, вызванное нагреванием
  • Заряд происходит от атомной структуры.
    • Атомы в целом …
      • вечный
      • электрически нейтраль
      • в основном пустое место
      • малая (~ 10 −10 м)
    • Ядро…
      • центр атома
      • электрически положительный
      • относительно массивный (источник почти всей массы атома)
      • фиксированный (фактически неподвижный)
      • очень маленькие (~ 10 −15 м)
    • Электрон …
      • разбросаны по всему объему атома (~ 10 −10 м)
      • электрически отрицательный
      • относительно легкий
      • мобильный (сравнительно легко перемещать)
      • бесконечно малый в изолированном состоянии (<10 −18 м)
    • Большинство электрических явлений на Земле связано с переносом электронов.
  • Электрические свойства материалов
    • Заряд может легко течь через проводник .
      • металлы
      • электролиты (ионизированные жидкости)
      • Плазма (ионизированные газы)
    • Заряд не проходит легко через изолятор .
      • неметаллы (чистая вода, органические вещества, газы,…)
    • Материал, который иногда ведет себя как проводник, а иногда как изолятор, называется полупроводником .
      • металлоиды (кремний, германий, легированные материалы,…)
    • Материалы, в которых заряды текут абсолютно без сопротивления, называются сверхпроводниками .
      • Сверхпроводники в определенном смысле являются идеальными проводниками.
      • Многие вещества являются сверхпроводниками при температуре ниже некоторой критической.
  • Единица заряда в системе СИ — кулон [Кл].
    • Один кулон — это количество заряда, переносимого одним ампером тока за одну секунду времени [C = A s].
      • Обоснование этого определения лучше оставить в следующих главах этой книги.
    • Один кулон — это единица, слишком большая для повседневного использования.
      • Чистый заряд объектов размером с человека с заметным зарядом лучше всего измерять в нанокулонах [нКл] или пикокулонах [пКл].
  • Элементарно
    • Заряд равен , квантованному кратно элементарному заряду [е].
    • Заряд протона +1 эл.
    • Заряд электрона -1 э.
    • 1 e = 1,602176634 × 10 −19 C точно по определению.
  • Консервация заряда
    • Суммарный заряд замкнутой системы постоянен.
    • Вселенная — замкнутая система.
    • Когда создаются субатомные частицы, они не добавляют и не вычитают заряд Вселенной в целом.

Нет постоянных условий.

  1. Механика
    1. Кинематика
      1. Движение
      2. Расстояние и перемещение
      3. Скорость и скорость
      4. Разгон
      5. Уравнения движения
      6. Свободное падение
      7. Графики движения
      8. Кинематика и расчет
      9. Кинематика в двух измерениях
      10. Снаряды
      11. Параметрические уравнения
    2. Dynamics I: Force
      1. Сил
      2. Сила и масса
      3. Действие-реакция
      4. Масса
      5. Динамика
      6. Статика
      7. Трение
      8. Силы в двух измерениях
      9. Центростремительная сила
      10. Кодовые рамки
    3. Энергия
      1. Работа
      2. Энергия
      3. Кинетическая энергия
      4. Потенциальная энергия
      5. Сохранение энергии
      6. Мощность
      7. Простые станки
    4. Dynamics II: Импульс
      1. Импульс и импульс
      2. Сохранение импульса
      3. Импульс и энергия
      4. Импульс в двух измерениях
    5. Вращательное движение
      1. Кинематика вращения
      2. Инерция вращения
      3. Динамика вращения
      4. Вращательная статика
      5. Угловой момент
      6. Энергия вращения
      7. Прокат
      8. Вращение в двух измерениях
      9. Сила Кориолиса
    6. Движение планет
      1. Геоцентризм
      2. Гелиоцентризм
      3. Вселенская гравитация
      4. Орбитальная механика I
      5. Гравитационная потенциальная энергия
      6. Орбитальная механика II
      7. Плотность вытянутых тел
    7. Периодическое движение
      1. Пружины
      2. Простой генератор гармоник
      3. Маятники
      4. Резонанс
      5. Эластичность
    8. Жидкости
      1. Плотность
      2. Давление
      3. Плавучесть
      4. Расход жидкости
      5. Вязкость
      6. Аэродинамическое сопротивление
      7. Режимы потока
  2. Теплофизика
    1. Тепло и температура
      1. Температура
      2. Тепловое расширение
      3. Атомная природа материи
      4. Закон о газе
      5. Кинетико-молекулярная теория
      6. Фазы
    2. Калориметрия
      1. Явное тепло
      2. Скрытое тепло
      3. Химическая потенциальная энергия
    3. Теплопередача
      1. Проводимость
      2. Конвекция
      3. Радиация
    4. Термодинамика
      1. Тепло и работа
      2. Диаграммы давление-объем
      3. Двигатели
      4. Холодильники
      5. Энергия и энтропия
      6. Абсолютный ноль
  3. Волны и оптика
    1. Волновые явления
      1. Природа волн
      2. Периодические волны
      3. Интерференция и суперпозиция
      4. Интерфейсы и барьеры
    2. Звук
      1. Природа звука
      2. Интенсивность
      3. Эффект Доплера (звук)
      4. Ударные волны
      5. Дифракция и интерференция (звук)
      6. Стоячие волны
      7. ударов
      8. Музыка и шум
    3. Физическая оптика
      1. Природа света
      2. Поляризация
      3. Эффект Доплера (свет)
      4. Черенковское излучение
      5. Дифракция и интерференция (свет)
      6. Тонкопленочная интерференция
      7. Цвет
    4. Геометрическая оптика
      1. Отражение
      2. Преломление
      3. Зеркала сферические
      4. Сферические линзы
      5. Аберрация
  4. Электричество и магнетизм
    1. Электростатика
      1. Электрический заряд
      2. Закон Кулона
      3. Электрическое поле
      4. Электрический потенциал
      5. Закон Гаусса
      6. Проводников
    2. Электростатические приложения
      1. Конденсаторы
      2. Диэлектрики
      3. Батареи
    3. Электрический ток
      1. Электрический ток
      2. Электрическое сопротивление
      3. Электроэнергия
    4. Цепи постоянного тока
      1. Резисторы в цепях
      2. Батареи в цепях
      3. Конденсаторы в цепях
      4. Правила Кирхгофа
    5. Магнитостатика
      1. Магнетизм
      2. Электромагнетизм
      3. Закон Ампера
      4. Электромагнитная сила
    6. Магнитодинамика
      1. Электромагнитная индукция
      2. Закон Фарадея
      3. Закон Ленца
      4. Индуктивность
    7. Цепи переменного тока
      1. Переменный ток
      2. RC-цепи
      3. Цепи RL
      4. LC контуры
    8. Электромагнитные волны
      1. Уравнения Максвелла
      2. Электромагнитные волны
      3. Электромагнитный спектр
  5. Современная физика
    1. Относительность
      1. Пространство-время
      2. Масса-энергия
      3. Общая теория относительности
    2. Quanta
      1. Излучение черного тела
      2. Фотоэффект
      3. Рентгеновские снимки
      4. Антиматерия
    3. Волновая механика
      1. Волны материи
      2. Атомарные модели
      3. Полупроводники
      4. Конденсированное вещество
    4. Ядерная физика
      1. Изотопы
      2. Радиоактивный распад
      3. Период полураспада
      4. Энергия связи
      5. Деление
      6. Fusion
      7. Нуклеосинтез
      8. Ядерное оружие
      9. Радиобиология
    5. Физика элементарных частиц
      1. Квантовая электродинамика
      2. Квантовая хромодинамика
      3. Квантовая динамика вкуса
      4. Стандартная модель
      5. Помимо стандартной модели
  6. Фундаменты
    1. Шт.
      1. Международная система единиц
      2. Гауссова система единиц
      3. Англо-американская система единиц
      4. Единицы разного назначения
      5. Время
      6. Преобразование единиц
    2. Измерение
      1. Значащие цифры
      2. По порядку
    3. Графики
      1. Графическое представление данных
      2. Линейная регрессия
      3. Подгонка по кривой
      4. Исчисление
    4. Векторы
      1. Тригонометрия
      2. Сложение и вычитание векторов
      3. Векторное разрешение и компоненты
      4. Умножение вектора
    5. ссылку
      1. Специальные символы
      2. Часто используемые уравнения
      3. Физические константы
      4. Астрономические данные
      5. Периодическая система элементов
      6. Люди в физике
  7. Назад дело
    1. Предисловие
      1. Об этой книге
    2. Связаться с автором
      1. гленнелерт.сша
      2. Behance
      3. Instagram
      4. Твиттер
      5. YouTube
    3. Аффилированные сайты
      1. hypertextbook.com
      2. midwoodscience.org

18.1 Электрические заряды, сохранение заряда и перенос заряда — физика

Задачи обучения секции

К концу этого раздела вы сможете делать следующее:

  • Описать положительные и отрицательные электрические заряды
  • Использование сохранения заряда для расчета количества заряда, передаваемого между объектами
  • Охарактеризовать материалы как проводники или изоляторы на основании их электрических свойств
  • Описать электрическую поляризацию и индукционную зарядку

Поддержка учителей

Поддержка учителей

Цели обучения в этом разделе помогут вашим ученикам овладеть следующими стандартами

  • (5) Студент знает природу сил в физическом мире.Ожидается, что студент:
    • (С) описать и рассчитать, как величина электрической силы между двумя объектами зависит от их зарядов и расстояния между ними; и
    • (E) характеризует материалы как проводники или изоляторы на основе их электрических свойств.

Кроме того, в Руководстве по лаборатории физики средней школы рассматривается содержание этого раздела лаборатории под названием «Электрический заряд», а также следующие стандарты:

  • (5) Учащийся знает природу сил в физическом мире.Ожидается, что студент:
    • (С) описать и рассчитать, как величина электрической силы между двумя объектами зависит от их зарядов и расстояния между ними; и
    • (E) характеризует материалы как проводники или изоляторы на основе их электрических свойств.

Раздел Основные термины

проводимость проводник электрон индукционный
изолятор закон сохранения заряда поляризация протон

Электрозаряд

Вы можете знать кого-то, у кого электрическая личность, что обычно означает, что этот человек привлекает других людей.Это высказывание основано на электрическом заряде, свойстве материи, заставляющем объекты притягиваться или отталкиваться друг от друга. Электрический заряд бывает двух видов, которые мы называем положительным, и отрицательным. Одинаковые заряды отталкивают друг друга, а разные заряды притягивают друг друга. Таким образом, два положительных заряда отталкиваются друг от друга, как и два отрицательных заряда. Положительный заряд и отрицательный заряд притягивают друг друга.

Как мы узнаем, что существует два типа электрического заряда? Когда различные материалы трутся друг о друга контролируемым образом, определенные комбинации материалов всегда приводят к чистому заряду одного типа на одном материале и чистому заряду противоположного типа на другом материале.По соглашению мы называем один тип заряда положительным, а другой — отрицательным. Например, когда стекло натирают шелком, оно заряжается положительно, а шелк — отрицательно. Поскольку стекло и шелк имеют противоположные заряды, они притягиваются друг к другу, как одежда, натертая в сушилке. Два стеклянных стержня, натертых таким образом на шелке, будут отталкивать друг друга, потому что каждый стержень имеет положительный заряд. Точно так же две натертые таким образом шелковые ткани будут отталкивать друг друга, потому что обе ткани имеют отрицательный заряд.На рис. 18.2 показано, как эти простые материалы можно использовать для исследования природы силы между зарядами.

Рис. 18.2 Стеклянный стержень заряжается положительно, когда натирается шелком, тогда как шелк заряжается отрицательно. (а) Стеклянный стержень притягивается к шелку, потому что их заряды противоположны. (b) Два одинаково заряженных стеклянных стержня отталкиваются. (c) Две одинаково заряженные шелковые ткани отталкиваются.

Поддержка учителей

Поддержка учителей
Демонстрация учителей

Подготовьте демонстрацию статического электричества.Простая демонстрация может заключаться в том, чтобы зарядить стеклянный стержень или гребень, натерев его шерстью, шелком или другой тканью, а затем зарядить надутый воздушный шар, потерев им рубашку или волосы. Поместите воздушный шар на непроводящую поверхность стола и используйте стеклянный стержень или гребень, чтобы отразить воздушный шар и заставить его катиться по столешнице. Развлекайте учеников, толкая воздушный шар сначала в одном направлении, а затем быстро перемещая стеклянный стержень или гребень к противоположной стороне воздушного шара, чтобы он замедлился, а затем двинулся в противоположном направлении.Спросите, какая сила действует между воздушным шаром и стеклянным стержнем или гребнем (сила отталкивания).

Ученым потребовалось много времени, чтобы выяснить, что скрывается за этими двумя типами зарядов. Само слово электрический происходит от греческого слова elektron , обозначающего янтарь, потому что древние греки заметили, что янтарь, когда натирается мехом, притягивает сухую солому. Почти 2000 лет спустя английский физик Уильям Гилберт предложил модель, объясняющую эффект электрического заряда как результат загадочного электрического флюида, который будет переходить от одного объекта к другому.Эта модель обсуждалась в течение нескольких сотен лет, но окончательно остановилась в 1897 году благодаря работе английского физика Дж. Дж. Томсона и французского физика Жана Перрена. Наряду со многими другими Томсон и Перрин изучали загадочные катодные лучи , которые, как было известно в то время, состоят из частиц меньшего размера, чем самый маленький атом. Перрин показал, что катодные лучи действительно несут отрицательный электрический заряд. Позже работа Томсона побудила его заявить: «Я не вижу выхода из заключения, что [катодные лучи] — это заряды отрицательного электричества, переносимые частицами материи.”

Потребовалось несколько лет дальнейших экспериментов, чтобы подтвердить интерпретацию экспериментов Томсоном, но наука фактически открыла частицу, которая несет фундаментальную единицу отрицательного электрического заряда. Теперь мы знаем эту частицу как электрон.

Однако известно, что атомы

электрически нейтральны, что означает, что они несут одинаковое количество положительного и отрицательного заряда, поэтому их чистый заряд равен нулю. Поскольку электроны отрицательны, какая-то другая часть атома должна содержать положительный заряд.Томсон предложил так называемую модель сливового пудинга , в которой он описал атомы как состоящие из тысяч электронов, плавающих вокруг в туманной массе с положительным зарядом, как показано на левом изображении на рис. 18.3. Его ученик Эрнест Резерфорд изначально считал эту модель правильной и использовал ее (наряду с другими моделями), чтобы попытаться понять результаты своих экспериментов по бомбардировке золотой фольги альфа- частицами (то есть атомами гелия, лишенными своих электронов).Однако результаты не подтвердили модель Томсона, а, скорее, разрушили ее! Резерфорд обнаружил, что большая часть пространства, занимаемого атомами золота, на самом деле пуста и что почти вся материя каждого атома сосредоточена в крошечном чрезвычайно плотном ядре, как показано на правом изображении на рис. 18.3. Позже было обнаружено, что ядро ​​атома содержит частицы, называемые протонами, каждая из которых несет единицу положительного электрического заряда.

Рис. 18.3 На левом рисунке показана модель сливового пудинга Томпсона, в которой электроны плавают в туманной массе с положительным зарядом.На правом рисунке показана модель Резерфорда, в которой электроны вращаются вокруг крошечного массивного ядра. Обратите внимание, что размер ядра на этом рисунке сильно преувеличен. Если бы он был нарисован в масштабе относительно размера электронных орбит, то на этом рисунке ядро ​​не было бы видно невооруженным глазом. Кроме того, насколько наука в настоящее время может обнаружить, электроны являются точечными частицами, а это означает, что они вообще не имеют размера!

Таким образом, протоны и электроны являются основными частицами, несущими электрический заряд.Каждый протон несет одну единицу положительного заряда, а каждый электрон несет одну единицу отрицательного заряда. С максимальной точностью, которую может обеспечить современная технология, заряд, переносимый протоном, равен , ровно , что противоположно заряду, переносимому электроном. Единицей измерения электрического заряда в системе СИ является кулон (сокращенно «С»), названный в честь французского физика Шарля Огюстена де Кулона, изучавшего силу между заряженными объектами. Протон несет + 1.602 × 10−19C. + 1.602 × 10−19С. а электрон несет −1.602 × 10−19C, −1.602 × 10−19C,. Число протонов n , необходимое для образования +1,00 C, равно

. n = 1,00C × 1протон1,602 × 10−19C = 6,25 × 1018 протонов. n = 1,00C × 1протон 1.602 × 10−19C = 6,25 × 1018 протонов.

18,1

Такое же количество электронов требуется для создания электрического заряда -1,00 Кл. Основная единица заряда часто представлена ​​как e . Таким образом, заряд протона равен e , а заряд электрона — e .Математически e = + 1.602 × 10−19C. E = + 1.602 × 10−19C.

Ссылки на физику

Измерение фундаментального электрического заряда

Американский физик Роберт Милликен (1868–1953) и его ученик Харви Флетчер (1884–1981) первыми провели относительно точное измерение фундаментальной единицы заряда на электрон. Они разработали то, что сейчас является классическим экспериментом, проводимым студентами. Эксперимент Милликена с каплей нефти показан на рис. 18.4. Эксперимент включает в себя некоторые концепции, которые будут представлены позже, но основная идея заключается в том, что тонкий масляный туман распыляется между двумя пластинами, которые могут быть заряжены известным количеством противоположного заряда.Некоторые капли масла накапливают избыточный отрицательный заряд при распылении и притягиваются к положительному заряду верхней пластины и отталкиваются отрицательным зарядом на нижней пластине. Регулируя заряд на этих пластинах до тех пор, пока вес масляной капли не будет уравновешен электрическими силами, можно довольно точно определить чистый заряд масляной капли.

Рис. 18.4 Эксперимент с каплей масла включал распыление тонкого масляного тумана между двумя металлическими пластинами, заряженными противоположными зарядами.Зная массу масляных капель и регулируя электрический заряд на пластинах, можно точно определить заряд масляных капель.

Милликен и Флетчер обнаружили, что капли будут накапливать заряд дискретными единицами примерно -1,59 × 10-19 ° C, -1,59 × 10-19 ° C, что находится в пределах 1 процента от современного значения -1,60 × 10-19 ° C. -1,60 × 10−19С. Хотя эта разница может показаться довольно маленькой, на самом деле она в пять раз больше, чем возможная ошибка, о которой Милликен сообщил для своих результатов!

Поскольку заряд электрона является фундаментальной константой природы, определение его точного значения очень важно для всей науки.Это оказало давление на Милликена и других после него, что раскрыло некоторые не менее важные аспекты человеческой натуры.

Во-первых, Милликен взял на себя исключительную ответственность за эксперимент и был удостоен Нобелевской премии 1923 года по физике за эту работу, хотя его ученик Харви Флетчер, по-видимому, внес значительный вклад в эту работу. Незадолго до своей смерти в 1981 году Флетчер сообщил, что Милликен вынудил его отдать ему единоличную благодарность за эту работу, в обмен на которую Милликен продвинул Флетчера по службе в Bell Labs.

Другой великий ученый, Ричард Фейнман, указывает, что многие ученые, измерявшие фундаментальный заряд после Милликена, неохотно сообщали значения, которые сильно отличались от значений Милликена. История показывает, что более поздние измерения медленно поднимались от значения Милликена до тех пор, пока не остановились на современном значении. Почему сразу не нашли ошибку и не исправили значение, — спрашивает Фейнман. Очевидно, обнаружив значение выше, чем широко признанное значение, обнаруженное Милликеном, ученые будут искать возможные ошибки, которые могут снизить их значение, чтобы оно лучше соответствовало значению Милликена.Это выявляет важный психологический вес предвзятых представлений и показывает, насколько сложно их опровергнуть. Ученые, какими бы преданными они ни были логике и данным, очевидно, так же уязвимы для этого аспекта человеческой природы, как и все остальные. Урок здесь в том, что, хотя скептически относиться к новым результатам, не следует сбрасывать со счетов их только потому, что они не согласуются с общепринятым мнением. Если ваши рассуждения верны и ваши данные надежны, необходимо серьезно рассмотреть вывод, которого требуют данные, даже если этот вывод не согласуется с общепринятой истиной .

Проверка захвата

Предположим, что Милликен заметил каплю масла, несущую три основных единицы заряда. Какова чистая стоимость этой капли нефти?

  1. −4,81 × 10 −19 С
  2. −1.602 × 10 −19 С
  3. 1,602 × 10 −19 С
  4. 4,81 × 10 −19 С

Snap Lab

Подобные и непохожие заряды

Это упражнение исследует отталкивание и притяжение, вызванное статическим электрическим зарядом.

  • Клейкая лента
  • Непроводящая поверхность, например пластиковый стол или стул

Инструкции

Процедура для части (а)

  1. Подготовьте два куска ленты длиной около 4 см. Чтобы сделать ручку, увеличьте ее вдвое примерно на 0,5 см с одного конца, чтобы липкая сторона держалась вместе.
  2. Прикрепите кусочки ленты бок о бок на неметаллической поверхности, например, на столешнице или сиденье стула, как показано на Рисунке 18.5 (a).
  3. Снимите оба куска ленты и повесьте их вниз, удерживая за ручки, как показано на Рисунке 18.5 (б). Если лента изгибается вверх и прилипает к руке, попробуйте использовать более короткий кусок ленты или просто встряхните ленту, чтобы она больше не прилипала к руке.
  4. Теперь медленно соедините два куска ленты вместе, как показано на Рисунке 18.5 (c). Что просходит?

Рисунок 18.5

Процедура для части (b)

  1. Наклейте один кусок ленты на неметаллическую поверхность и приклейте второй кусок ленты поверх первого, как показано на Рисунке 18.6 (a).
  2. Медленно отделите две части, потянув за ручку нижней части.
  3. Осторожно проведите пальцем по верхней части второго отрезка ленты (т. Е. По нелипкой стороне), как показано на Рисунке 18.6 (b).
  4. Отделите два куска ленты, потянув за их ручки, как показано на Рисунке 18.6 (c).
  5. Медленно соедините два куска ленты. Что просходит?

Рисунок 18.6

Проверка захвата

Почему на шаге 4 два куска ленты отталкивались друг от друга? На шаге 9, почему они привлекли друг друга?

  1. Подобные заряды притягиваются, а разные заряды отталкивают друг друга.
  2. Подобные заряды отталкиваются, а разные заряды притягиваются друг к другу.
  3. Ленты с положительным зарядом отталкиваются, а ленты с отрицательным зарядом притягиваются друг к другу.
  4. Ленты с отрицательным зарядом отталкиваются, а ленты с положительным зарядом притягиваются друг к другу.

Сохранение заряда

Поддержка учителей

Поддержка учителей

[BL] [OL] Обсудите, что означает сохранение в физическом смысле. Укажите, как законы сохранения служат правилами бухгалтерского учета, которые позволяют нам отслеживать определенные количества.Это похоже на то, как узнать, сколько студентов сейчас на экскурсии, и использовать эту информацию, чтобы убедиться, что ни один из студентов не пропадет. Поскольку ученики не могут раствориться в воздухе, подсчет учеников позволяет учителю узнать, нет ли учеников. Если их нет, значит, они должны быть где-то еще, и можно начинать поиск.

[AL] Спросите, с какими еще законами сохранения они сталкивались в физике, и обсудите, как эти законы используются.

Поскольку основные положительные и отрицательные единицы заряда переносятся протонами и электронами, мы могли бы ожидать, что общий заряд не может измениться в любой системе, которую мы определяем.Другими словами, хотя мы можем перемещать заряд, мы не можем создавать или уничтожать его. Это должно быть правдой при условии, что мы не создаем и не уничтожаем протоны или электроны в нашей системе. Однако в двадцатом веке ученые узнали, как создавать и уничтожать электроны и протоны, но они обнаружили, что заряд все еще сохраняется. Многие эксперименты и веские теоретические аргументы подняли эту идею до статуса закона. Закон сохранения заряда гласит, что электрический заряд не может быть создан или разрушен.

Очень полезен закон сохранения заряда. Это говорит нам о том, что чистая плата в системе одинакова до и после любого взаимодействия в системе. Конечно, мы должны гарантировать, что никакой внешний заряд не входит в систему во время взаимодействия и что никакой внутренний заряд не покидает систему. Математически сохранение заряда можно выразить как

qinitial = qfinal.qinitial = qfinal.

18.2

где qinitialqinitial — это чистый заряд системы до взаимодействия, а qfinal, qfinal, это чистый заряд после взаимодействия.

Рабочий пример

Какой недостающий заряд?

На рис. 18.7 показаны две сферы, изначально имеющие заряд +4 C и +8 C. После взаимодействия (которое может просто касаться друг друга) синяя сфера имеет заряд +10 Кл, а красная сфера — неизвестное количество заряда. Используйте закон сохранения заряда, чтобы найти последний заряд на красной сфере.

Стратегия

Чистый начальный заряд системы qinitial = + 4C + 8C = + 12Cqinitial = + 4C + 8C = + 12C.Чистый окончательный заряд системы равен qfinal = + 10C + qredqfinal = + 10C + qred, где qredqred — последний заряд на красной сфере. Сохранение заряда говорит нам, что qinitial = qfinalqinitial = qfinal, поэтому мы можем решить для qredqred.

Решение

Приравнивание qinitialqinitial и qfinalqfinal и решение для qredqred дает

qinitial = qfinal + 12C = + 10C + qred. + 2C = qred.qinitial = qfinal + 12C = + 10C + qred. + 2C = qred.

18,3

Красная сфера имеет заряд +2 C.

Рис. 18.7 Две сферы, одна синяя и одна красная, изначально имеют заряд +4 C и +8 C соответственно. После взаимодействия двух сфер синяя сфера имеет заряд +10 C. Закон сохранения заряда позволяет нам найти окончательный заряд qredqred на красной сфере.

Обсуждение

Как и все законы сохранения, сохранение заряда — это схема учета, которая помогает нам отслеживать электрический заряд.

Практические задачи

1.

Какое уравнение описывает сохранение заряда?

  1. q начальный = q конечный = постоянный
  2. q начальный = q конечный = 0
  3. q начальный q конечный = 0
  4. q начальный / q конечный = постоянный
2.

Изолированная система содержит два объекта с зарядами q_ {1} и q_ {2}. Если объект 1 теряет половину своего заряда, каков последний заряд объекта 2?

  1. \ frac {q_2} {2}

  2. \ frac {3q_2} {2}

  3. q_2 — \ frac {q_1} {2}

  4. q_2 + \ frac {q_1} {2}

Проводники и изоляторы

Поддержка учителя

Поддержка учителя

[BL] Попросите учащихся определить значение проводника , и изолятора . Объясните, как эти термины используются в физике для обозначения материалов, которые позволяют количеству проходить, а те, которые нет.

[OL] Спросите студентов, встречались ли они в повседневной жизни с проводниками и изоляторами. Каковы свойства этих материалов? Будьте готовы обсуждать и различать теплопроводники и изоляторы.

[AL] Спросите, помнят ли студенты другие проводники и изоляторы в физике. Обсудите, как термоизоляторы и проводники влияют на тепловую энергию.

Материалы можно классифицировать в зависимости от того, позволяют ли они перемещаться заряду. Если заряд может легко перемещаться через материал, такой как металлы, то эти материалы называются проводниками. Это означает, что заряд может проводиться (т.е. перемещаться) через материал довольно легко. Если заряд не может проходить через материал, например резину, этот материал называется изолятором.

Большинство материалов — изоляторы. Их атомы и молекулы крепче держатся за свои электроны, поэтому электронам трудно перемещаться между атомами.Однако это не невозможно. Имея достаточно энергии, можно заставить электроны двигаться через изолятор. Однако при этом изолятор часто физически разрушается. В металлах внешние электроны слабо связаны со своими атомами, поэтому для движения электронов через металл требуется не так много энергии. Такие металлы, как медь, серебро и алюминий, являются хорошими проводниками. Изоляционные материалы включают пластик, стекло, керамику и дерево.

Электропроводность некоторых материалов является промежуточной между проводниками и изоляторами.Они называются полупроводниками . Их можно сделать проводящими при правильных условиях, которые могут включать температуру, чистоту материала и силу, применяемую для проталкивания электронов через них. Поскольку мы можем контролировать, являются ли полупроводники проводниками или изоляторами, эти материалы широко используются в компьютерных микросхемах. Наиболее часто используемый полупроводник — кремний. На рисунке 18.8 показаны различные материалы, расположенные в зависимости от их способности проводить электроны.

Рисунок 18.8 Материалы могут быть расположены в зависимости от их способности проводить электрический заряд. Косые черты на стрелке означают, что существует очень большой разрыв в проводящей способности между проводниками, полупроводниками и изоляторами, но рисунок сжат, чтобы поместиться на странице. Цифры под материалами показывают их удельное сопротивление в Ом • м (о котором вы узнаете ниже). Удельное сопротивление — это мера того, насколько сложно заставить заряд двигаться через данный материал.

Поддержка учителя

Поддержка учителя

Обратите внимание на то, что шкала нелинейна, а это означает, что проводимость изоляторов намного меньше проводимости проводов.Также отметьте, что полупроводники часто используются как изоляторы или проводники, но не как материалы с проводимостью, которая находится между изоляторами и проводниками.

Что произойдет, если на проводящий объект поместить избыточный отрицательный заряд? Поскольку одинаковые заряды отталкивают друг друга, они будут давить друг на друга, пока не окажутся как можно дальше друг от друга. Поскольку заряд может перемещаться в проводнике, он перемещается к внешним поверхностям объекта. На рисунке 18.9 (а) схематично показано, как избыточный отрицательный заряд равномерно распространяется по внешней поверхности металлической сферы.

Что произойдет, если то же самое сделать с изолирующим предметом? Электроны по-прежнему отталкиваются друг от друга, но они не могут двигаться, потому что материал является изолятором. Таким образом, избыточный заряд остается на месте и не распределяется по объекту. Рисунок 18.9 (b) показывает эту ситуацию.

Рисунок 18.9 (a) Проводящая сфера с избыточным отрицательным зарядом (т. Е. Электронами). Электроны отталкиваются друг от друга и распространяются, покрывая внешнюю поверхность сферы. (б) Изолирующий шар с избыточным отрицательным зарядом.Электроны не могут двигаться, поэтому они остаются в исходном положении.

Поддержка учителей

Поддержка учителей

Обратите внимание на то, что накопление статического электричества не сохраняется на объекте навсегда. Спросите учащихся, как статический заряд может покинуть объект. Обратите внимание на то, что это накопление статического электричества быстрее рассеивается во влажные дни, чем в засушливые дни.

Передача и разделение заряда

Поддержка учителя

Поддержка учителя

[BL] [OL] Спросите, как концепция статического электричества может быть совместима с передачей заряда.Разве передача заряда не является движением заряда, которое противоречит статичности?

[AL] Попросите учащихся определить разделение обязанностей. Приготовьтесь объяснить, почему это не означает расщепление электронов.

Большинство объектов, с которыми мы имеем дело, электрически нейтральны, что означает, что они имеют одинаковое количество положительного и отрицательного заряда. Однако передать отрицательный заряд от одного объекта к другому довольно просто. Когда отрицательный заряд передается от одного объекта к другому, остается избыток положительного заряда.Как мы узнаем, что отрицательный заряд — это мобильный заряд? Положительный заряд переносится протоном, который прочно застревает в ядре атомов, а атомы застревают на своих местах в твердых материалах. Электроны, несущие отрицательный заряд, гораздо легче удалить из своих атомов или молекул и, следовательно, легче переносятся.

Электрический заряд может передаваться несколькими способами. Один из простейших способов передачи заряда — это контактная зарядка, при которой поверхности двух объектов, изготовленных из разных материалов, находятся в тесном контакте.Если один из материалов удерживает электроны сильнее, чем другой, то при разделении материалов он уносит с собой несколько электронов. Трение двух поверхностей друг к другу увеличивает перенос электронов, потому что это создает более тесный контакт между материалами. Он также служит для представления свежего материала с полной подачей электронов к другому материалу. Таким образом, когда вы идете по ковру в сухой день, ваша обувь трутся о ковер, и некоторые электроны удаляются с ковра вашей обувью.В результате на вашей обуви появляется избыток отрицательного заряда. Когда вы затем дотрагиваетесь до дверной ручки, часть вашего избытка электронов переходит на нейтральную дверную ручку, создавая небольшую искру.

Прикосновение руки к дверной ручке демонстрирует второй способ передачи электрического заряда — заряд за счет проводимости. Этот перенос происходит потому, что одинаковые заряды отталкиваются, и поэтому избыточные электроны, которые вы подобрали с ковра, хотят быть как можно дальше друг от друга. Некоторые из них перемещаются к дверной ручке, где они распределяются по внешней поверхности металла.Другой пример заряда по проводимости показан в верхнем ряду рисунка 18.10. Металлическая сфера со 100 избыточными электронами касается металлической сферы с 50 избыточными электронами, поэтому 25 электронов из первой сферы переходят во вторую сферу. Каждая сфера заканчивается 75 лишними электронами.

То же самое относится и к передаче положительного заряда. Однако, поскольку положительный заряд по существу не может перемещаться в твердых телах, он передается путем перемещения отрицательного заряда в противоположном направлении.Например, рассмотрим нижний ряд рисунка 18.10. Первая металлическая сфера имеет 100 избыточных протонов и касается металлической сферы с 50 избыточными протонами, поэтому вторая сфера передает 25 электронов первой сфере. Эти 25 дополнительных электронов электрически нейтрализуют 25 протонов, так что в первой металлической сфере останется 75 лишних протонов. Это показано в нижнем ряду рисунка 18.10. Вторая металлическая сфера потеряла 25 электронов, поэтому у нее есть еще 25 избыточных протонов, всего 75 избыточных протонов. Конечный результат будет таким же, если учесть, что первый шар передал первому шару чистый положительный заряд, равный 25 протонам.

Рисунок 18.10 В верхнем ряду металлическая сфера со 100 избыточными электронами переносит 25 электронов на металлическую сферу с избытком в 50 электронов. После переноса обе сферы имеют 75 лишних электронов. В нижнем ряду металлическая сфера со 100 избыточными протонами получает 25 электронов от шара с 50 избыточными протонами. После переноса в обеих сферах остается 75 лишних протонов.

Поддержка учителя

Поддержка учителя

Укажите, как общий заряд в каждый момент времени одинаков.Обсудите, как движение электронов вправо эквивалентно перемещению положительного заряда той же величины влево, но не забудьте прояснить, что в большинстве ситуаций в твердых телах на самом деле движутся только отрицательные заряды.

[BL] [OL] Обсудите значение поляризации на повседневном языке. Например, обсудите, что имеется в виду под поляризованными дебатами или поляризованным Конгрессом. Сравните и сопоставьте повседневный смысл со смыслом физики.

[AL] Спросите, какие еще примеры поляризации они могут придумать из повседневной жизни.

В этом обсуждении вы можете задаться вопросом, как избыточные электроны изначально попали из вашей обуви в вашу руку, чтобы создать искру, когда вы коснулись дверной ручки. Ответ состоит в том, что нет, электронов действительно прошли от вашей обуви к вашим рукам. Вместо этого, поскольку одинаковые заряды отталкиваются друг от друга, избыточные электроны на вашей обуви просто отталкивают часть электронов в ваших ногах. Электроны, выброшенные таким образом из ваших ног, переместились вверх в вашу ногу и, в свою очередь, оттолкнули часть электронов в вашей ноге.Этот процесс продолжался по всему вашему телу, пока избыток электронов не покрывал конечности вашего тела. Таким образом, ваша голова, ваши руки, кончик вашего носа и так далее получили свои дозы избыточных электронов, которые были вытолкнуты из своего нормального положения. Все это было результатом того, что электроны выталкивали электроны из ваших ног избыточными электронами на вашей обуви.

Этот тип разделения зарядов называется поляризацией. Как только лишние электроны покидают вашу обувь (при трении об пол или уносятся влажным воздухом), распределение электронов в вашем теле возвращается к нормальному.Каждая часть вашего тела снова электрически нейтральна (т. Е. Нулевой избыточный заряд).

Явление поляризации показано на рисунке 18.1. Ребенок накопил лишний положительный заряд, скользя по горке. Этот избыточный заряд отталкивается и распределяется по конечностям тела ребенка, особенно по его волосам. В результате волосы встают дыбом, потому что избыточный отрицательный заряд на каждой пряди отталкивает избыточный положительный заряд на соседних прядях.

Поляризацию можно использовать для зарядки объектов.Рассмотрим две металлические сферы, показанные на рис. 18.11. Сферы электрически нейтральны, поэтому они несут одинаковое количество положительного и отрицательного заряда. На верхнем рисунке (рис. 18.11 (а)) две сферы соприкасаются, и положительный и отрицательный заряд равномерно распределены по двум сферам. Затем мы приближаемся к стеклянному стержню, несущему избыточный положительный заряд, что можно сделать, натерев стеклянный стержень шелком, как показано на рис. 18.11 (b). Поскольку противоположные заряды притягиваются друг к другу, отрицательный заряд притягивается к стеклянному стержню, оставляя избыточный положительный заряд на противоположной стороне правой сферы.Это пример индукционной зарядки, при которой заряд создается путем приближения к заряженному объекту вторым объектом, чтобы создать несбалансированный заряд во втором объекте. Если затем разделить две сферы, как показано на рис. 18.11 (c), избыточный заряд останется на каждой сфере. Левая сфера теперь имеет избыточный отрицательный заряд, а правая сфера имеет избыточный положительный заряд. Наконец, на нижнем рисунке стержень удален, и противоположные заряды притягиваются друг к другу, поэтому они перемещаются как можно ближе друг к другу.

Рис. 18.11 (a) Две нейтральные проводящие сферы касаются друг друга, поэтому заряд равномерно распределяется по обеим сферам. (б) Приближается положительно заряженный стержень, который притягивает отрицательные заряды, оставляя избыточный положительный заряд на правой сфере. (c) Сферы разделены. Каждая сфера теперь несет равную величину избыточного заряда. (d) Когда положительно заряженный стержень удаляется, избыточный отрицательный заряд на левой сфере притягивается к избыточному положительному заряду на правой сфере.

Поддержка учителя

Поддержка учителя

Обсудите аналогичную ситуацию с изолирующими сферами. Обратите внимание на то, что сферы остаются нейтральными, несмотря на поляризацию на панелях (b) и (c).

Развлечение в физике

Создайте искру на научной ярмарке

Генераторы Ван де Граафа — это устройства, которые используются не только для серьезных физических исследований, но и для демонстрации физики статического электричества на научных ярмарках и в классах. Поскольку они обеспечивают относительно небольшой электрический ток, их можно сделать безопасными для использования в таких условиях.Первый такой генератор был построен Робертом Ван де Граафом в 1931 году для использования в исследованиях ядерной физики. На рисунке 18.12 показан упрощенный эскиз генератора Ван де Граафа.

В генераторах

Van de Graaff используются гладкие и заостренные поверхности, а также проводники и изоляторы для генерации больших статических зарядов. В версии, показанной на рис. 18.12, электроны «распыляются» с концов нижней гребенки на движущуюся ленту, которая сделана из изоляционного материала, такого как резина. Этот метод зарядки ремня похож на зарядку вашей обуви электронами при ходьбе по ковру.Ремень поднимает заряды вверх к верхнему гребню, где они снова переносятся, подобно тому, как вы касаетесь дверной ручки и переносите на нее свой заряд. Поскольку одинаковые заряды отталкиваются, все избыточные электроны устремляются к внешней поверхности земного шара, который сделан из металла (проводника). Таким образом, сама гребенка никогда не накапливает слишком много заряда, потому что любой заряд, который она получает, быстро истощается за счет движения заряда к внешней поверхности земного шара.

Рис. 18.12. Генераторы Ван де Граафа переносят электроны на металлическую сферу, где электроны равномерно распределяются по внешней поверхности.

Генераторы Ван де Граафа используются для демонстрации многих интересных эффектов, вызываемых статическим электричеством. Прикоснувшись к земному шару, человек получает избыточный заряд, поэтому его волосы встают дыбом, как показано на рис. 18.13. Вы также можете создавать мини-молнии, перемещая нейтральный проводник к земному шару. Другой любимый вариант — сложить алюминиевые формы для маффинов на незаряженный шар, а затем включить генератор. В банках, сделанных из токопроводящего материала, накапливается избыточный заряд. Затем они отталкиваются друг от друга и один за другим улетают с земного шара.Быстрый поиск в Интернете покажет множество примеров того, что вы можете сделать с генератором Ван де Граафа.

Рис. 18.13 Человек, касающийся генератора Ван де Граафа, имеет избыточный заряд, который распространяется по его волосам и отталкивает пряди волос от его соседей. (кредит: Джон «ShakataGaNai» Дэвис)

Проверка хватки

Почему электроны не остаются на резиновой ленте, когда достигают верхнего гребня?

  1. Верхняя гребенка не имеет лишних электронов, а избыточные электроны в резиновой ленте передаются гребенке посредством контакта.
  2. Верхний гребень не имеет лишних электронов, а избыточные электроны в резиновой ленте передаются гребенке за счет проводимости.
  3. Верхний гребень имеет избыточные электроны, а избыточные электроны в резиновой ленте передаются гребне за счет проводимости.
  4. Верхний гребень содержит избыточные электроны, и избыточные электроны в резиновом ремне передаются гребне при контакте.

Виртуальная физика

Воздушные шары и статическое электричество

Эта симуляция позволяет вам наблюдать, как на воздушном шаре накапливается отрицательный заряд, когда вы трут его о свитер.Затем вы можете наблюдать, как взаимодействуют два заряженных шара и как они вызывают поляризацию стены.

Проверка захвата

Нажмите кнопку сброса и начните с двух выносков. Зарядите первый воздушный шар, потерев его о свитер, а затем переместите его ко второму воздушному шарику. Почему не двигается второй воздушный шарик?

  1. Второй воздушный шарик имеет равное количество положительных и отрицательных зарядов.
  2. Второй воздушный шар имеет больше положительных зарядов, чем отрицательных.
  3. Второй воздушный шар имеет больше отрицательных зарядов, чем положительных.
  4. Второй воздушный шар заряжен положительно и имеет поляризацию.

Snap Lab

Поляризация водопроводной воды

Эта лаборатория продемонстрирует, как молекулы воды могут легко поляризоваться.

  • Пластиковый предмет малых размеров, например гребень или пластиковая мешалка
  • Источник водопроводной воды

Инструкции

Процедура

  1. Тщательно протрите пластиковый предмет сухой тканью.
  2. Откройте кран ровно настолько, чтобы из крана стекала гладкая струйка воды.
  3. Переместите край заряженного пластикового предмета в сторону струи проточной воды.

Что вы наблюдаете? Что происходит, когда пластиковый предмет касается водяной нити? Вы можете объяснить свои наблюдения?

Проверка захвата

Почему вода изгибается вокруг заряженного объекта?

  1. Заряженный объект наводит однородный положительный заряд на молекулы воды.
  2. Заряженный объект наводит однородный отрицательный заряд на молекулы воды.
  3. Заряженный объект притягивает поляризованные молекулы воды и ионы, растворенные в воде.
  4. Заряженный объект деполяризует молекулы воды и ионы, растворенные в воде.

Рабочий пример

Зарядка капель чернил

Электрически нейтральные капли чернил в струйном принтере проходят через электронный луч, создаваемый электронной пушкой, как показано на рисунке 18.14. Некоторые электроны захватываются каплей чернил, так что она становится заряженной. После прохождения электронного луча чистый заряд капли чернил составляет qinkdrop = −1 × 10−10Cqinkdrop = −1 × 10−10C. Сколько электронов захватывает капля чернил?

Рис. 18.14 Электроны из электронной пушки заряжают проходящую каплю чернил.

Стратегия

Один электрон несет заряд qe — = — 1.602 × 10−19Cqe — = — 1.602 × 10−19C. Разделив чистый заряд капли чернил на заряд qe − qe− одного электрона, мы получим количество электронов, захваченных каплей чернил.

Решение

Число n электронов, захваченных каплей чернил, равно

n = qinkdropqe — = — 1 × 10−10C − 1,602 × 10−19C = 6 × 108. n = qinkdropqe — = — 1 × 10−10C − 1,602 × 10−19C = 6 × 108.

18,4

Обсуждение

Это почти миллиард электронов! Кажется, много, но это довольно мало по сравнению с числом атомов в капле чернил, которое составляет около 1016 · 1016. Таким образом, каждый лишний электрон распределяется примерно на 1016 / (6 × 108) ≈107 · 1016 / (6 × 108) ≈107 атомов.

Практические задачи

3.

Сколько протонов нужно, чтобы зарядить 1 нКл? 1 нКл = 10-9 С

  1. 1,6 × 10 −28
  2. 1,6 × 10 −10
  3. 3 × 10 9
  4. 6 × 10 9
4.

В физической лаборатории вы заряжаете три металлических сферы, две с + 3 \, \ text {nC} и одну с -5 \, \ text {nC}. Когда вы соединяете все три сферы вместе, так что все они соприкасаются друг с другом, каков общий заряд этих трех сфер?

  1. + 1 \, \ text {nC}
  2. + 3 \, \ text {nC}

  3. + 5 \, \ text {nC}

  4. + 6 \, \ text {nC}

Проверьте свое понимание

5.

Сколько существует видов электрического заряда?

  1. один тип
  2. два типа
  3. три типа
  4. четыре типа
6.

Какие две основные электрические классификации материалов основаны на том, насколько легко заряды могут проходить через них?

  1. проводник и изолятор
  2. Полупроводник и изолятор
  3. проводник и сверхпроводник
  4. проводники и полупроводники
7.

Верно или неверно. Поляризованный материал должен иметь ненулевой чистый электрический заряд.

  1. правда
  2. ложь
8.

Опишите силу между двумя взаимодействующими положительными точечными зарядами.

  1. Сила притягивает и действует вдоль линии, соединяющей два точечных заряда.
  2. Сила притяжения и действует по касательной к линии, соединяющей два точечных заряда.
  3. Сила отталкивающая и действует вдоль линии, соединяющей два точечных заряда.
  4. Сила отталкивающая и действует по касательной к линии, соединяющей два точечных заряда.
9.

Чем отличается проводник от изолятора?

  1. Электрические заряды легко перемещаются в изоляторе, но не в проводящем материале.
  2. Электрические заряды легко перемещаются в проводнике, но не в изоляторе.
  3. Проводник имеет большое количество электронов.
  4. В изоляторе зарядов больше, чем в проводнике.
10.

Верно или нет. Для зарядки объекта за счет поляризации необходимо прикоснуться к нему предметом, несущим избыточный заряд.

  1. правда
  2. ложь

Статическое электричество и заряд: сохранение заряда

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете:

  • Определите электрический заряд и опишите, как взаимодействуют два типа заряда.
  • Опишите три типичных ситуации, в которых генерируется статическое электричество.
  • Укажите закон сохранения заряда.

Рисунок 1.Янтарь Борнео добывали в Сабахе, Малайзия, из жил сланцевого песчаника и аргиллита. Когда кусок янтаря натирают куском шелка, янтарь получает больше электронов, что придает ему отрицательный заряд. При этом шелк, потеряв электроны, становится положительно заряженным. (Источник: Sebakoamber, Wikimedia Commons)

Что делает пластиковую пленку липкой? Статичное электричество. Мало того, что статическое электричество стало обычным явлением в наши дни, его существование было известно с древних времен.Первое упоминание о его воздействии датируется древними греками, которые отметили, что более 500 лет до нашей эры. Эта полировка янтаря временно позволила ему притягивать кусочки соломы (см. рис. 1). Само слово электрический происходит от греческого слова янтарь ( электрон ).

Многие характеристики статического электричества можно изучить, потерев предметы друг о друга. При трении возникает искра, возникающая, например, при прогулке по шерстяному ковру. Статическое прилипание, возникающее в сушилке для одежды, и притяжение соломы к недавно отполированному янтарю также являются результатом трения.Точно так же молния возникает в результате движения воздуха при определенных погодных условиях. Вы также можете натереть воздушный шарик о волосы, и возникшее статическое электричество может заставить шарик цепляться за стену. Мы также должны быть осторожны со статическим электричеством, особенно в сухом климате. Когда мы перекачиваем бензин, нас предупреждают, что нужно разрядиться (после скольжения по сиденью) на металлическую поверхность, прежде чем взяться за газовое сопло. В больничных операционных должны быть надеты пинетки с алюминиевой фольгой на дне, чтобы избежать искр, которые могут воспламенить используемый кислород.

Некоторые из основных характеристик статического электричества включают:

  • Эффекты статического электричества объясняются не введенной ранее физической величиной, называемой электрическим зарядом.
  • Есть только два типа заряда: один называется положительным, а другой — отрицательным.
  • Подобные заряды отталкивают, а непохожие — притягивают.
  • Сила между зарядами уменьшается с расстоянием.

Откуда мы знаем, что существует два типа электрического заряда ? Когда различные материалы трутся друг о друга контролируемым образом, определенные комбинации материалов всегда создают один тип заряда на одном материале и противоположный — на другом.По соглашению мы называем один тип заряда «положительным», а другой — «отрицательным». Например, когда стекло натирают шелком, оно заряжается положительно, а шелк — отрицательно. Поскольку стекло и шелк имеют противоположные заряды, они притягиваются друг к другу, как одежда, натертая в сушилке. Два стеклянных стержня, натертых таким образом на шелке, будут отталкивать друг друга, поскольку каждый стержень имеет положительный заряд. Точно так же две натертые таким образом шелковые ткани будут отталкивать, поскольку обе ткани имеют отрицательный заряд.На рисунке 2 показано, как эти простые материалы могут быть использованы для изучения природы силы между зарядами.

Рис. 2. Стеклянный стержень заряжается положительно, когда натирается шелком, а шелк — отрицательно. (а) Стеклянный стержень притягивается к шелку, потому что их заряды противоположны. (b) Два одинаково заряженных стеклянных стержня отталкиваются. (c) Две одинаково заряженные шелковые ткани отталкиваются.

Возникают более сложные вопросы. Откуда берутся эти обвинения? Можете ли вы создать или уничтожить заряд? Есть самая маленькая единица заряда? Как именно сила зависит от количества заряда и расстояния между зарядами? Такие вопросы, очевидно, приходили в голову Бенджамину Франклину и другим ранним исследователям, и они интересуют нас даже сегодня.

Заряд, переносимый электронами и протонами

Франклин писал в своих письмах и книгах, что он мог видеть эффекты электрического заряда, но не понимал, что вызвало это явление. Сегодня у нас есть то преимущество, что мы знаем, что нормальная материя состоит из атомов и что атомы содержат положительные и отрицательные заряды, обычно в равных количествах.

Рис. 3. Этот упрощенный (не в масштабе) вид атома называется планетарной моделью атома. Отрицательные электроны вращаются вокруг гораздо более тяжелого положительного ядра, как планеты вращаются вокруг гораздо более тяжелого Солнца.На этом сходство заканчивается, потому что силы в атоме электромагнитные, а силы в планетной системе — гравитационные. Нормальные макроскопические количества вещества содержат огромное количество атомов и молекул и, следовательно, еще большее количество отдельных отрицательных и положительных зарядов.

На рисунке 3 показана простая модель атома с отрицательными электронами , вращающимися вокруг его положительного ядра. Ядро положительно из-за наличия положительно заряженных протонов .Почти весь заряд в природе обусловлен электронами и протонами, которые являются двумя из трех строительных блоков большей части материи. (Третий — нейтрон, нейтрон, не несущий заряда.) Другие несущие заряд частицы наблюдаются в космических лучах и ядерном распаде и создаются в ускорителях частиц. Все, кроме электрона и протона, выживают лишь короткое время и по сравнению с ними встречаются довольно редко.

Заряды электронов и протонов одинаковы по величине, но противоположны по знаку. Более того, все заряженные объекты в природе являются целыми кратными этой базовой величине заряда, что означает, что все заряды состоят из комбинаций базовой единицы заряда.Обычно заряды образуются комбинациями электронов и протонов. Величина этого базового заряда составляет

ед.

| q e | = 1,60 × 10 −19 С.

Символ q обычно используется для обозначения заряда, а нижний индекс e указывает заряд одного электрона (или протона).

Единицей заряда в системе СИ является кулон (Кл). Количество протонов, необходимое для заряда 1,00 Кл, составляет

.

[латекс] 1.00 \ text {C} \ times \ frac {1 \ text {proton}} {1.{18} \ text {протоны} \\ [/ latex].

Точно так же 6,25 × 10 18 электронов имеют общий заряд -1,00 кулонов. Так же, как есть мельчайший бит элемента (атома), есть мельчайший бит заряда. Непосредственно наблюдаемого заряда меньше чем | q e |, и все наблюдаемые заряды являются целыми кратными | q e |.

Большое и маленькое: субмикроскопическое происхождение заряда

За исключением экзотических короткоживущих частиц, весь заряд в природе переносится электронами и протонами.Электроны несут заряд, который мы назвали отрицательным. Протоны несут заряд равной величины, который мы называем положительным. (См. Рис. 4.) Заряды электронов и протонов считаются фундаментальными строительными блоками, поскольку все остальные заряды кратны зарядам, переносимым электронами и протонами. Электроны и протоны также являются двумя из трех основных строительных блоков обычной материи. Нейтрон является третьим и имеет нулевой общий заряд.

Рис. 4. Когда этот человек касается генератора Ван де Граафа, он получает избыток положительного заряда, в результате чего его волосы встают дыбом.Показаны заряды в одном волосе. Художественная концепция электрона и протона иллюстрирует частицы, несущие отрицательный и положительный заряды. Мы не можем видеть эти частицы в видимом свете, потому что они такие маленькие (электрон кажется бесконечно малой точкой), но мы много знаем об их измеримых свойствах, таких как заряды, которые они несут.

На рис. 4 показано, как человек прикасается к генератору Ван де Граафа и получает избыточный положительный заряд. Расширенный вид волос показывает наличие обоих типов зарядов, но избыток положительного.Отталкивание этих положительных одинаковых зарядов заставляет пряди волос отталкивать другие пряди волос и подниматься вверх. Дальнейший взрыв демонстрирует концепцию художника об электроне и протоне, которые, возможно, находятся в атоме в прядке волос.

Электрон, кажется, не имеет субструктуры; Напротив, когда субструктура протонов исследуется путем рассеяния на них чрезвычайно энергичных электронов, оказывается, что внутри протона есть точечные частицы. Эти субчастицы, называемые кварками, никогда напрямую не наблюдались, но считается, что они несут дробные заряды, как показано на рисунке 5.Заряды электронов, протонов и всех других непосредственно наблюдаемых частиц являются унитарными, но эти кварковые субструктуры несут заряды либо [латекс] — \ frac {1} {3} \\ [/ latex], либо [латекс] + \ frac {2}. {3} \\ [/ латекс]. Продолжаются попытки непосредственно наблюдать дробный заряд и изучать свойства кварков, которые, возможно, являются основной субструктурой материи.

Рис. 5. Художественная концепция дробных зарядов кварков внутри протона. Группа из трех кварковых зарядов складывается в один положительный заряд протона: [латекс] — \ frac {1} {3} q_e + \ frac {2} {3} q_e + \ frac {2} {3} q_e = + 1q_e \\ [/ латекс].

Разделение заряда в атомах

Заряды в атомах и молекулах можно разделить, например, трением материалов друг о друга. Некоторые атомы и молекулы имеют большее сродство к электронам, чем другие, и становятся отрицательно заряженными при тесном контакте при трении, оставляя другой материал заряженным положительно. (См. Рис. 6.) Положительный заряд аналогичным образом может быть вызван трением. Другие методы, кроме растираний, также могут разделять заряды. В батареях, например, используются комбинации веществ, которые взаимодействуют таким образом, чтобы разделять заряды.При химическом взаимодействии отрицательный заряд может передаваться от одного вещества к другому, в результате чего одна клемма аккумулятора становится отрицательной, а первая остается положительной.

Рис. 6. Когда материалы трутся друг о друга, заряды могут быть разделены, особенно если один материал имеет большее сродство к электронам, чем другой. (а) И янтарь, и ткань изначально нейтральны, с одинаковыми положительными и отрицательными зарядами. Речь идет лишь о крошечной части зарядов, и здесь показаны лишь некоторые из них.(б) При трении друг о друга некоторый отрицательный заряд переносится на янтарь, оставляя ткань с чистым положительным зарядом. (c) После разделения янтарь и ткань теперь имеют чистые заряды, но абсолютные значения чистых положительных и отрицательных зарядов будут равны.

Никаких зарядов фактически не создается или не уничтожается, когда заряды разделяются, как мы обсуждали. Скорее, существующие обвинения перемещаются. Фактически, во всех ситуациях общая сумма заряда всегда постоянна. Этот повсеместно соблюдаемый закон природы называется законом сохранения заряда .2} \\ [/ латекс]. Иногда созданная масса заряжена, например, когда создается электрон. Всякий раз, когда создается заряженная частица, вместе с ней всегда создается другая, имеющая противоположный заряд, так что общий создаваемый заряд равен нулю. Обычно эти две частицы являются аналогами «материя-антивещество». Например, антиэлектрон обычно создается одновременно с электроном. Антиэлектрон имеет положительный заряд (он называется позитроном), поэтому общий создаваемый заряд равен нулю. (См. Рисунок 7.2} \\ [/ латекс]. Поскольку две частицы имеют равный и противоположный заряд, общий заряд равен нулю до и после аннигиляции; таким образом, общий заряд сохраняется.

Рис. 7. (a) Когда присутствует достаточно энергии, она может быть преобразована в материю. Здесь создается материя — электрон-антиэлектронная пара. (me — масса электрона.) Полный заряд до и после этого события равен нулю. б) при столкновении вещества и антивещества они уничтожают друг друга; полный заряд сохраняется на нуле до и после аннигиляции.

Установление связей: законы сохранения

Универсально сохраняется только ограниченное количество физических величин. Заряд — это одно, а энергия, импульс и угловой момент — другие. Поскольку они сохраняются, эти физические величины используются для объяснения большего числа явлений и образуют больше связей, чем другие, менее базовые величины. Мы обнаруживаем, что сохраненные количества дают нам глубокое понимание правил, которым следует природа, и намекают на ее организацию. Открытие законов сохранения привело к дальнейшим открытиям, таким как слабое ядерное взаимодействие и кварковая субструктура протонов и других частиц.

Закон сохранения заряда абсолютен — его нарушение никогда не наблюдалось. Таким образом, заряд — это особая физическая величина, которая присоединяется к очень короткому списку других величин в природе, которые всегда сохраняются. Другие сохраняемые величины включают энергию, импульс и угловой момент.

Исследования PhET: воздушные шары и статическое электричество

Почему к свитеру прилипает воздушный шарик? Потрите воздушный шарик о свитер, затем отпустите шарик, и он полетит и прилипнет к свитеру.Посмотрите на заряды в свитере, воздушных шарах и стене.

Щелкните, чтобы запустить моделирование.

Сводка раздела

  • Есть только два типа заряда, которые мы называем положительным и отрицательным.
  • Подобные заряды отталкиваются, в отличие от зарядов 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 количества электронов и протонов.
  • В системе СИ для заряда используется кулон (Кл), где протоны и электроны имеют заряды противоположных знаков, но одинаковой величины; величина этого основного заряда | q e | есть | q e | = 1,60 × 10 −19 С.
  • Всякий раз, когда создается или разрушается заряд, задействовано равное количество положительного и отрицательного.
  • Чаще всего существующие заряды отделяются от нейтральных объектов для получения некоторого чистого заряда.
  • В нейтральных объектах существуют как положительные, так и отрицательные заряды, и их можно разделить, потерев один объект о другой. Для макроскопических объектов отрицательно заряженный означает избыток электронов, а положительно заряженный — их обеднение.
  • Закон сохранения заряда гарантирует, что всякий раз, когда создается заряд, одновременно создается равный заряд противоположного знака.

Концептуальные вопросы

  1. В большинстве объектов очень большое количество заряженных частиц. Почему же тогда большинство объектов не обладают статическим электричеством?
  2. Почему большинство объектов обычно содержат примерно равное количество положительных и отрицательных зарядов?

Задачи и упражнения

  1. Обычное статическое электричество включает в себя заряды от нанокулонов до микрокулонов. (а) Сколько электронов необходимо для образования заряда -2.00 нКл (б) Сколько электронов необходимо удалить с нейтрального объекта, чтобы получить чистый заряд 0,500 мкм Кл?
  2. Если 1,80 × 10 20 электрон перемещается через карманный калькулятор в течение полного рабочего дня, сколько кулонов заряда прошло через него?
  3. Для запуска двигателя автомобиля автомобильный аккумулятор перемещает 3,75 × 10 21 электронов через стартер. Сколько кулонов заряда было перемещено?
  4. Определенная молния перемещает 40,0 C заряда.Сколько фундаментальных единиц заряда | q e | это?

Глоссарий

электрический заряд: физическое свойство объекта, которое заставляет его притягиваться или отталкиваться от другого заряженного объекта; каждый заряженный объект генерирует силу, называемую электромагнитной силой

, и испытывает на нее влияние.

закон сохранения заряда: гласит, что всякий раз, когда создается заряд, одновременно создается равное количество заряда с противоположным знаком

электрон: частица, вращающаяся вокруг ядра атома и несущая наименьшую единицу отрицательного заряда

.

протон: частица в ядре атома, несущая положительный заряд, равный по величине и противоположный по знаку величине отрицательного заряда, переносимого электроном

Избранные решения проблем и упражнения

1.(а) 1,25 × 10 10 ; (б) 3,13 × 10 12

3. −600 С

Что такое заряд (электрический заряд)?

В физике заряд, также известный как электрический заряд, электрический заряд или электростатический заряд и обозначаемый как q , является характеристикой единицы вещества, которая выражает степень, в которой у нее больше или меньше электронов, чем протонов. В атомах электрон несет отрицательный элементарный или единичный заряд; протон несет положительный заряд.Эти два типа заряда равны и противоположны.

В атоме вещества электрический заряд возникает всякий раз, когда количество протонов в ядре отличается от количества электронов, окружающих это ядро. Если электронов больше, чем протонов, атом имеет отрицательный заряд. Если электронов меньше, чем протонов, атом имеет положительный заряд. Количество заряда, переносимого атомом, всегда кратно элементарному заряду, то есть заряду, переносимому одним электроном или одним протоном.Говорят, что частица, атом или объект с отрицательным зарядом имеют отрицательную электрическую полярность; считается, что частица, атом или объект с положительным зарядом имеют положительную электрическую полярность.

В объекте, состоящем из многих атомов, чистый заряд равен арифметической сумме зарядов всех атомов вместе взятых с учетом полярности. В массивном образце это может составлять большое количество элементарных зарядов. Единицей электрического заряда в Международной системе единиц является кулон (обозначенный буквой C), где 1 C равен примерно 6.24 x 10 18 элементарных зарядов. В реальных объектах нет ничего необычного в том, что они содержат множество кулонов.

Электрическое поле, также называемое электрическим полем или электростатическим полем, окружает любой заряженный объект. Напряженность электрического поля на любом заданном расстоянии от объекта прямо пропорциональна количеству заряда на объекте. Вблизи любого объекта, имеющего фиксированный электрический заряд, напряженность электрического поля уменьшается пропорционально квадрату расстояния от объекта (то есть подчиняется закону обратных квадратов).

Когда два объекта, обладающие электрическим зарядом, подносятся друг к другу, между ними возникает электростатическая сила. (Эту силу не следует путать с электродвижущей силой, также известной как напряжение.) Если электрические заряды имеют одинаковую полярность, электростатическая сила является отталкивающей. Если электрические заряды имеют противоположную полярность, электростатическая сила притягивается. В свободном пространстве (в вакууме), если заряды двух соседних объектов в кулонах равны q 1 и q 2 и центры объектов разделены расстоянием r в метрах, Чистая сила F между объектами в ньютонах определяется по следующей формуле:

F = ( q 1 q 2 ) / (4 o r 2 )

, где o — это диэлектрическая проницаемость свободного пространства, физическая константа, и — отношение длины окружности к ее диаметру, безразмерная математическая константа.Положительная результирующая сила отталкивает, а отрицательная результирующая сила притягивает. Это соотношение известно как закон Кулона.

Электрический заряд и ток — краткая история

Заряд

Электричество и магнетизм

Электрический заряд и ток — краткая история

Руководство для преподавателей для 14-16

Электрические явления являются результатом фундаментального свойства материи: электрического заряда.Атомы, из которых состоит большая часть вещества, с которым мы сталкиваемся, содержат заряженные частицы. Протоны и электроны имеют по одной единице заряда, но противоположного знака. Атомы обычно нейтральны, потому что количество электронов и протонов одинаково.

Электрические заряды в состоянии покоя известны гораздо дольше, чем электрические токи.

Янтарный эффект

Свойство, которое сейчас называется статическое электричество , было известно философам Древней Греции. На самом деле слово электричество происходит от «электрон», греческого названия янтаря.Янтарь — это смолистый минерал, используемый для изготовления украшений. Вероятно, небольшие волокна одежды цеплялись за янтарь, и их было довольно трудно удалить. Попытка стереть волокна только усугубила ситуацию, заставив ранних философов задуматься, почему.

Уильям Гилберт упомянул эффект янтаря в своей новаторской книге On Magnetism , опубликованной в 1600 году. Он заметил, что притяжение между электрическими элементами было намного слабее, чем магнетизм, и ошибочно сказал, что электричество никогда не отталкивается.

Бенджамин Франклин

Требовался гигантский скачок понимания, чтобы объяснить подобные наблюдения с точки зрения положительного и отрицательного электрического заряда. В 18 веке Бенджамин Франклин в Америке пробовал эксперименты с зарядами. Франклин назвал два вида электричества «положительным» и «отрицательным». Он даже собирал электрические заряды из грозовых облаков через мокрую веревку от воздушного змея.

Франклин был сторонником модели электрического заряда «единой жидкости».У объекта с избытком жидкости будет один заряд; объект с дефицитом жидкости будет иметь противоположный заряд. Другие ученые отстаивали теорию «двух жидкостей», в которой движутся отдельные положительные и отрицательные жидкости. Потребовалось более века, чтобы дебаты перешли на сторону Франклина.

Интересно отметить, что Франклин придумал несколько электрических терминов, которые мы используем до сих пор: батарея, заряд, проводник, плюс, минус, положительно, отрицательно, конденсатор (= конденсатор) и другие.

Электрические токи

Электрические токи не были полностью исследованы до изобретения батарей примерно в 1800 году. Прохождение токов через солевые растворы свидетельствует о том, что существует два типа носителей заряда: положительные и отрицательные. Носителями заряда, которые выкипают из раскаленных добела металлов, являются отрицательные электроны, а движение электронов вызывает ток в холодном металлическом проводе.

Какое-то время электрические токи казались настолько отличными от электрических зарядов в состоянии покоя, что их изучали отдельно.Казалось, что существует четыре вида электричества: положительные и отрицательные электростатические заряды, а также положительные и отрицательные движущиеся заряды в токах. Теперь ученым виднее. Есть только два вида сил, положительные и отрицательные, которые действуют одинаково, независимо от того, были ли они «электростатическими зарядами от трения» или «движущимися зарядами от источников питания».

Современный взгляд

Электрические силы — это то, что удерживает вместе атомы и молекулы, твердые тела и жидкости. При столкновении объектов электрические силы раздвигают их.

Сегодня мы понимаем, что электроны могут переноситься, когда два разных материала контактируют друг с другом, а затем разделяются.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.