Электрический заряд измеряется: . . . Coulomb. . . . .

Электрический заряд – это физическая величина, характеризующая свойство
частиц или тел вступать в электромагнитные силовые взаимодействия

Электрический
заряд – это физическая величина, характеризующая свойство частиц или тел
вступать в электромагнитные силовые взаимодействия.

Электрический
заряд обычно обозначается буквами q
или Q.

Совокупность
всех известных экспериментальных фактов позволяет сделать следующие выводы:

• Существует
  два рода электрических зарядов, условно названных положительными и
  отрицательными.
• Заряды
  могут передаваться (например, при непосредственном контакте) от одного
  тела к другому. В отличие от массы тела электрический заряд не является
  неотъемлемой характеристикой данного тела. Одно и то же тело в разных
  условиях может иметь разный заряд.
• Одноименные
  заряды отталкиваются, разноименные – притягиваются. В этом также
  проявляется принципиальное отличие электромагнитных сил от гравитационных. Гравитационные силы всегда
  являются силами притяжения.

Одним
из фундаментальных законов природы является экспериментально установленный закон
сохранения электрического заряда.

В
изолированной системе алгебраическая сумма зарядов всех тел остается
постоянной:

q₁ + q₂ + q₃ + … +q_n = const 

Закон
сохранения электрического заряда утверждает, что в замкнутой системе тел не
могут наблюдаться процессы рождения или исчезновения зарядов только одного
знака.

Точечным зарядом называют заряженное тело, размерами
которого в условиях данной задачи можно пренебречь.

Силы
взаимодействия неподвижных зарядов прямо пропорциональны произведению модулей
зарядов и обратно пропорциональны квадрату расстояния между ними:

Силы
взаимодействия подчиняются третьему закону Ньютона:Они
являются силами отталкивания при одинаковых знаках зарядов и силами притяжения
при разных знаках (рис. 4.1.3). Взаимодействие неподвижных электрических
зарядов называют электростатическим или кулоновским
взаимодействием. Раздел электродинамики, изучающий кулоновское взаимодействие,
называют электростатикой.

Закон
Кулона справедлив для точечных заряженных тел. Практически закон Кулона хорошо
выполняется, если размеры заряженных тел много меньше расстояния между ними.

Коэффициент
пропорциональности k в
законе Кулона зависит от выбора системы единиц. В Международной системе СИ за
единицу заряда принят кулон (Кл).

Кулон
– это заряд, проходящий за 1 с
через поперечное сечение
проводника при силе тока 1 А. Единица силы тока (ампер) в СИ
является наряду с единицами длины, времени и массы основной единицей
измерения.

Коэффициент
k в системе СИ обычно
записывают в виде:

где
–
электрическая постоянная. 

Каждое заряженное тело создает в окружающем пространстве электрическое
поле. Это поле оказывает силовое действие на другие заряженные тела.
Главное свойство электрического поля – действие на электрические заряды с
некоторой силой. Таким образом, взаимодействие заряженных тел осуществляется не
непосредственным их воздействием друг на друга, а через электрические поля,
окружающие заряженные тела.

Для
количественного определения электрического поля вводится силовая
характеристика напряженность
электрического поля.

Напряженностью
электрического поля называют физическую величину, равную отношению силы, с
которой поле действует на положительный пробный заряд, помещенный в данную
точку пространства, к величине этого заряда:

Напряженность
электрического поля – векторная физическая величина. Направление вектора совпадает
в каждой точке пространства с направлением силы, действующей на положительный
пробный заряд.

Электрическое
поле неподвижных и не меняющихся со временем зарядов называется электростатическим.

Если
с помощью пробного заряда исследуется электрическое поле, создаваемое
несколькими заряженными телами, то результирующая сила оказывается равной
геометрической сумме сил, действующих на пробный заряд со стороны каждого
заряженного тела в отдельности. Следовательно, напряженность электрического
поля, создаваемого системой зарядов в данной точке пространства, равна
векторной сумме напряженностей электрических полей, создаваемых в той же точке
зарядами в отдельности:

Для
наглядного представления электрического поля используют силовые линии.
Эти линии проводятся так, чтобы направление вектора в
каждой точке совпадало с направлением касательной к силовой линии
(рис. 4.2.1). При изображении электрического поля с помощью силовых линий,
их густота должна быть пропорциональна модулю вектора напряженности поля.

HРабота
поля по замкнутому полю равна 0

Ai=q*e*di*cosα

A=0,
то поле потенциальное.

Теорема Гаусса

Экспериментально
установленные закон Кулона и принцип суперпозиции позволяют полностью описать
электростатическое поле заданной системы зарядов в вакууме. Однако, свойства
электростатического поля можно выразить в другой, более общей форме, не
прибегая к представлению о кулоновском поле точечного заряда.

Введем
новую физическую величину, характеризующую электрическое поле – поток Φ
вектора напряженности электрического поля. Понятие потока вектора аналогично
понятию потока вектора скорости при
течении несжимаемой жидкости. Пусть в пространстве, где создано электрическое
поле, расположена некоторая достаточно малая площадка ΔS. Произведение
модуля вектора на
площадь ΔS и на косинус угла α
между вектором и
нормалью к
площадке называется элементарным потоком вектора напряженности через
площадку ΔS (рис. 4.3.1):

где
–
модуль нормальной составляющей поля  

Рассмотрим
теперь некоторую произвольную замкнутую поверхность S. Если разбить эту
поверхность на малые площадки ΔS_i,
определить элементарные потоки поля
через
эти малые площадки, а затем их просуммировать, то в результате мы получим поток
Φ вектора через
замкнутую поверхность S (рис. 4.3.2):

В
случае замкнутой поверхности всегда выбирается внешняя нормаль.

Теорема
Гаусса утверждает:

Поток
вектора напряженности электростатического поля через
произвольную замкнутую поверхность равен алгебраической сумме зарядов,
расположенных внутри этой поверхности, деленной на электрическую постоянную ε₀.

Рассмотрим
еще один пример симметричного распределения зарядов – определение поля
равномерно заряженной плоскости (рис. 4.3.5).

В
этом случае гауссову поверхность S целесообразно выбрать в виде цилиндра
некоторой длины, закрытого с обоих торцов. Ось цилиндра направлена перпендикулярно
заряженной плоскости, а его торцы расположены на одинаковом расстоянии от нее.
В силу симметрии поле равномерно заряженной плоскости должно быть везде
направлено по нормали. Применение теоремы Гаусса дает:

где
σ – поверхностная
плотность заряда, то есть заряд, приходящийся на единицу площади. 

Полученное
выражение для электрического поля однородно заряженной плоскости применимо и в
случае плоских заряженных площадок конечного размера. В этом случае расстояние
от точки, в которой определяется напряженность поля, до заряженной площадки
должно быть значительно меньше размеров площадки.

Урок 26. электрический заряд. закон кулона — Физика — 10 класс

Физика, 10 класс

Урок 26. Электрический заряд. Закон Кулона

Перечень вопросов, рассматриваемых на уроке:

1) электродинамика;

2) электризация;

3) два рода зарядов;

4) закон Кулона;

5) применение электризации;

6) вредные действия электризации.

Глоссарий по теме:

Электродинамика – это наука о свойствах и закономерностях поведения особого вид материи – электромагнитного поля, осуществляющего взаимодействие между электрически заряженными телами или частицами.

Электрический заряд – физическая величина, характеризующая электрические свойства частиц.

Элементарный заряд — заряд электрона (или протона).

Электрон — частица с наименьшим отрицательным зарядом.

Электризация — явление приобретения телом заряда.

Кулоновская сила — сила взаимодействия зарядов

Основная и дополнительная литература по теме урока:

1. Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б., Сотский Н.Н. Физика.10 класс. Учебник для общеобразовательных организаций М.: Просвещение, 2017. С. 277 – 282.

2. Тульчинский М.Е. Сборник качественных задач по физике. – М.: Просвещение, 1965. С.81.

3. Алексеева М. Н. Физика юным. – М.: Просвещение, 1980. С. 68-78.

Теоретический материал для самостоятельного изучения

Элементарные частицы – это мельчайшие частицы, которые не делятся на более простые, из которых состоят все тела.

Если частицы взаимодействуют друг с другом с силами, которые убывают с увеличением расстояния так же, как и силы всемирного тяготения, но превышают силы тяготения во много раз, то говорят, что эти частицы имеют электрический заряд, а частицы называются заряженными.

Взаимодействие заряженных частиц называется электромагнитным.

Заряды одного знака отталкиваются друг от друга, а разного знака – притягиваются.

При электризации трением оба тела приобретают заряды, противоположные по знаку, но одинаковые по модулю.

При электризации тел выполняется закон сохранения электрического заряда:

В изолированной системе алгебраическая сумма зарядов всех тел сохраняется.

Заряженные тела, размерами и формой которых можно пренебречь при их взаимодействии, называются точечными зарядами.

Силу взаимодействия зарядов называют кулоновской силой.

Сила, с которой взаимодействуют заряды, прямо пропорциональна произведению зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.

Закон Кулона:

где — это электрическая постоянная.

— заряд электрона

— заряд протона

Единица измерения электрического заряда – Кулон.

Заряд в 1 Кл очень велик. Сила взаимодействия двух точечных зарядов по1 Кулон каждый, расположенных на расстоянии 1 км друг от друга, чуть меньше силы, с которой Земля притягивает груз массой 1т.

Примеры и разбор решения заданий:

1. Два заряда q₁ и q₂ взаимодействуют в вакууме с силой F. Если заряд каждой частицы увеличить в два раза и расстояние между ними уменьшить в два раза, то как изменится сила их взаимодействия?

Решение:

Используя закон Кулона можем рассчитать, что сила взаимодействия между зарядами увеличится в 16 раз.

2. Два шарика, расположенные на расстоянии 10 см друг от друга, имеют одинаковые отрицательные заряды и взаимодействуют с силой 0,23 мН. Найти число избыточных электронов на каждом шарике.

Решение:

Число избыточных электронов:

Сила взаимодействия между двумя заряженными шариками:

Отсюда выражаем заряд шарика:

Заряд электрона равен e =|-1,6·10^-31| Kл

Вычисления:

Ответ: .

Заряд электрический приборы для измерения

    Электрические приборы — измерение электрических зарядов осажденных в приборе частиц пыли. [c.618]

    Электрохимическими преобразователями, или хемотронами, называют приборы и отдельные элементы устройств, принцип действия которых основан на законах электрохимии. Электрохимические системы такого рода выполняют роль диодов, датчиков, интеграторов, запоминающих устройств и соответственно выполняют функции выпрямления, усиления и генерирования электрических сигналов, измерения неэлектрических величин и др. В хемотронах происходят процессы преобразования электрической энергии в химическую, а также механической энергии в электрическую и др. В отличие от электронных устройств (ламповых и полупроводниковых), в которых перенос электричества осуществляется электронами, в электрохимических преобразователях заряды переносятся ионами. Согласно закону Фарадея, количество вещества, претерпевшего изменение на электроде, пропорционально количеству прошедшего электричества. Поэтому измеряя тем или иным способом количественное изменение вещества, можно определить количество электричества, т. е. интегрировать электрические сигналы. Для этого электрохимическая реакция должна быть а) обратимой, т. е. реакция на аноде должна быть обратной реакции на катоде. Например, на аноде Си — 2е Си на катоде Си + + Че» Си б) реакция должна быть единственной, иначе точное интегрирование тока затруднено в) электролиты и электроды должны быть устойчивыми во времени г) реакции на электродах должны протекать с достаточно высокими скоростями. Таким требованиям могут удовлетворять некоторые электрохимические реакции, характеризующиеся потенциалами, лежащими между потенциалами водородного и кислородного электродов (рис. 66). При отсутствии в системе газообразных водородов и кислорода и при малой электрохимической поляризации электродов на них будут протекать лишь основные реакции. Системой, удовлетворяющей указанным требованиям, может быть 12+ + 2е ч 21″ Е = 0,53 В. Потенциал ее положительнее потенциала водородного электрода и при рНпотенциала кислородного электрода, поэтому в водных растворах в присутствии иода и ионов I» кислород и водород выделяться не будут. Эта реакция в прямом и обратном направлениях протекаете небольшой электрохимической поляризацией, следовательно, на электродах можно получить [c.367]

    Для измерения сдвига электрохимического потенциала испытательного электрода, возникающего под действием наложенного тока, как в полевых, так и в лабораторных условиях, целесообразно использовать способ заряда емкости в момент разрыва цепи поляризующего тока. Принципиальная электрическая схема измерений по этому способу показана на рис. 10, а. Схема состоит из трех функционально отличных блоков измерительного /, силового Я и переключения III. Функция измерительного блока I — измерение катодным вольтметром Р поляризационного потенциала испытательного электрода 6 по отношению к медносульфатному электроду сравнения ЕЪ. Катодный вольтметр Р1 может быть любого типа, но его внутреннее сопротивление должно быть не менее 10 МОм на 1В шкалы. Такое входное сопротивление прибора требуется для исключения влияния разряда емкости через измерительную цепь прибора. Емкость конденсатора С = О,. ..1 мкФ и зависит от размера контакта медного стержня с раствором в медносульфатном электроде 5. Следует выбирать наи- более высококачественные конденсаторы с наименьшим [c.62]

    Действие электрических приборов основано на изменении под давлением электрических свойств некоторых материалов (например, зависимость омического сопротивления некоторых сплавов от давления среды, окружающей проводник, используется при измерении высоких давлений появление электрических зарядов на поверхности кристаллического диэлектрика при сжатии и растяжения кристалла используется при измерении быстропеременных давлений). [c.36]

    Составные части атома — электроны и ядро. Как уже указывалось, атомы химических элементов состоят из ядра и движущихся вокруг него электронов. Свойства электронов были изучены после того, как во второй половине прошлого века удалось получить потоки этих частиц. Вначале была измерена величина отношения заряда электрона к его массе е т . Эта величина определяется по отклонению узкого пучка электронов в электрическом и магнитном полях. Впервые такие измерения были проведены в 1897 г. Дж. Дж. Томсоном (Англия) конструкция использованного им прибора схематически изображена на рис. 2. В настоящее время аналогичные устройства — электроннолучевые трубки — широко используются (например, в телевизорах). Теория данного метода кратко рассмотрена в приложении 1 (См. стр. 288). С помощью этих экспериментов было найдено- е т = = 5,273 10 эл.-ст. ед./г. [c.10]

    Эффект Холла получил широкое применение не только как мощное средство изучения свойств носителей заряда. На его основе ч оказалось возможным создание ряда устройств и приборов, обладающих исключительно ценными свойствами, — приборов для измерения постоянных и переменных магнитных полей, для измерения токов высокой частоты, анализа спектров, для электронных усилителей, преобразователей, генераторов электрических колебаний и др. (см. гл. XI). [c.330]

    Английский физик Дж. Дж. Томсон изучал отклонение катодных лучей в электрическом и магнитном полях на рис. 1.2 показана схема использованного им прибора. Основываясь на своих измерениях, Томсон рассчитал отношение заряда к массе е/т, которое Отношение д. 1я оказалось равным —1,76-10″ Кл-кг (Кл— частиц катодных лучей кулон, единица заряда в системе СИ). Так как он [c.11]

    Устройство электроскопа с камерой для измерения радиоактивности газа изображено схематически на фиг. 106. Этот электроскоп приспособлен для измерений по а-лучам. Стержень 7 проходит через янтарный изолятор. К верхней части стержня, которая сделана плоской, приклеен очень тонкий листочек алюминиевой фольги, в вырезе которого наклеена кварцевая нить. Если сообщить стержню (электроду) некоторый заряд, то листочек отойдет от стерженька, как это изображено на фиг. 106. Утечка электрического заряда через янтарь и нейтрализация его ионами воздуха вызывают приближение листочка к стержню или, как говорят, его падение. Это падение листочка наблюдают в микроскоп, в окуляре которого имеется шкала, что дает возможность, пользуясь секундомером, определять скорость движения листочка, выражая ее числом делений, проходимых в минуту. Когда внутри прибора нет радиоактивных веществ, листочек движется очень медленно, именно 0,2—0,3 деления в минуту. Эту величину скорости движения листочка, когда в приборе нет радиоактивных веществ, называют натуральным рассеянием , которое определяют всегда перед измерением радиоактивности. [c.279]

    Для измерения давлений, величина которых может достигать нескольких тысяч атмосфер, требуется пьезоэлектрический датчик, в котором возникает электрический заряд, и вторичные приборы, служащие для измерения этого заряда. [c.314]

    Для измерения напряженности электростатического поля разработаны приборы. В одном из них вращающаяся пластинка в отсутствие поля наклонена под углом 30° к горизонтали. При помещении в электрическое поле на ней индуцируются заряды, и она поворачивается против часовой стрелки, преодолевая натяжение пружины. На этой же оси расположен переменный конденсатор, включенный в контур радиочастотного генератора. Изменение частоты генератора фиксируется приемником на крыше резервуара. Питается генератор от имеющихся в нем батарей [20]. Предложены приборы других систем световой и звуковой сигнализации для обнаружения статического электричества [21]. [c.163]

    Большинство масс-спектрометров измеряет только положительно заряженные ионы, однако вполне возможно проводить также исследование отрицательно заряженных ионов. Таким образом, масс-спектрометр может использоваться для измерения отношения массы к заряду, определения количества ионов и изучения процессов ионизации. За сорок лет, прошедшие с момента открытия принципов анализа положительных ионов, его применение непрерывно расширяется. Новые области применения вызвали к жизни новые конструкции приборов, а конструктивные усовершенствования в свою очередь стимулировали развитие новых областей применения разнообразной масс-спектрометрической техники. Конструирование приборов и их использование развивалось по следующим двум основным направлениям первое относилось к измерению относительного количества ионов различных типов, и соответствующие приборы были названы масс-спектрометрами, второе — к точному определению масс на масс-спектрографах. В масс-спектрометрии используются электрические детекторы ионных токов, и сигнал до регистрации обычно усиливается электронными схемами. В масс-спектрографах ионный луч обычно детектируется и регистрируется фотографически. На заре развития метода чувствительность фотографического детектирования ионного пучка была выше электрического. Главным образом поэтому фотографический детектор, для которого пригодны только слабые ионные пучки, стал синонимом очень точного измерения масс. [c.13]

    При аналитических работах, выполняемых с помощью масс-спектрометров, в большинстве случаев приходится иметь дело с ионными токами величиной 10 —д. измерение может осуществляться различными методами, из которых наиболее распространенными являются метод электрического заряда и метод вторичной эмиссии. Первый состоит в измерении разности потенциалов, возникающей при прохождении ионного тока на высокоомном сопротивлении (10 —ом), соединяющем коллектор ионов с землей. Указанная разность потенциалов, являющаяся мерой ионного тока, измеряется затем либо с помощью лампового электрометра с подключенным к нему на выходе гальванометром или усилителем постоянного тока, либо динамическим электрометром и усилителем переменного тока низкой частоты. Наибольшее распространение получил первый способ усиления, используемый в большинстве отечественных приборов. [c.34]

    В настоящее время существуют два метода измерения удельной электропроводности топлива. В одном методе используют портативный измерительный прибор для прямых измерений в баках, измерений в полевых или лабораторных условиях, а во втором — встроенный измерительный прибор для непрерывного измерения удельной электропроводности топлива в потоке (нейтральной эквивалентной удельной электропроводности). При применении любого из этих методов перед проведением измерений необходимо обратить особое внимание на снятие остаточных электрических зарядов и исключение загрязнений. [c.573]

    Ввиду того что электростатические заряды возникают в кварце мгновенно и быстро исчезают, их для регистрации преобразуют с помощью специальной схемы в колебания электрического тока, которые и регистрируют осциллографом. Такими манометрами можно измерять быстро изменяющиеся давления, поэтому их часто применяют для измерения давления в каналах стволов артиллерийских орудий, в цилиндрах двигателей внутреннего сгорания и т. д. Хотя сам прибор и прост, но измерительная схема его сложна, требует высококачественной изоляции всех подводящих проводов кроме того, показания прибора зависят от многих условий (влажности воздуха и т. д.). [c.173]

    Весьма перспективны методы масс-спектроскопии, основанные на точном измерении масс ионизированных частиц и молекул посредством разделения в пространстве и во времени заряженных частиц, имеющих различные величины отношения их массы к величине заряда. Разделения достигают, пропуская такие частицы через электрическое и магнитное поля. Разделенные в масс-спектрографе пучки частиц различной массы в своей совокупности образуют спектр , фиксируемый на фотографической пластинке в виде ряда отдельных линий. Можно определять содержание примесей в анализируемом образце вещества до 0,0001%. Точность анализа равна 0,1—0,2%. Проводят анализы углеводородов, сталей, газов, нефти. Можно анализировать все смеси (газы, жидкости, твердые), которые в ионизационной камере прибора полностью испаряются без разложения их компонентов. Масс-спектральный метод комбинируют также с хроматографией (см. ниже), инфракрасной и ультрафиолетовой спектроскопией. [c.568]

    Однако датчики, металлическая пластинка которых крепится в ручке и соединяется посредством центральной жилы экранированного кабеля с измерительным прибором, обладают целым рядом недостатков. Измерение можно осуществлять только сразу после внесения датчика в электрическое поле. При одном положении датчика нельзя провести несколько последовательных замеров, так как происходит утечка свободного заряда. [c.183]

    Можно провести опыты, в которых обнаруживаются положительные ионы и измеряются их свойства (заряд и масса). Такие опыты аналогичны тем, которые мы описали для электронов. Для этой цели можно использовать газоразрядную трубку, изображенную на рис. 14-3, так как измерения показывают присутствие и положительно заряженных частиц, и электронов. Электроны движутся ускоренно к положительному электроду, а положительно заряженные ионы ускоряются в противоположном направлении, к отрицательному электроду. 2 и ионы могут выходить из прибора в виде пучка, как и электроны (см. рис. 14-4). По отклонениям этих пучков ионов в электрическом и магнитном полях можно измерить заряды и массы положительных ионов. [c.360]

    Выбор формы сигнала для комплектной поверки определяется главным образом методическими погрешностями, возникающими из-за присутствия в сигнале высших гармонических составляющих. Зависимость показаний, например электронных средств измерений, от формы испытательного сигнала объясняется тем, что различные по типу приборы отличаются между собой электрическими параметрами измерительной цепи. Широкий класс средств измерений и измерительных каналов ИИС может быть представлен эквивалентной схемой в виде линейной электрической цепи с сосредоточенными параметрами. Эквивалентная схема этого класса приборов в динамическом режиме чаще всего описывается апериодическим звеном первого порядка. Тогда предельно допустимые параметры испытательных сигналов можно оценить так же, как максимально допустимую скважность Q серии импульсов с амплитудой 7 при требуемом уровне выходного сигнала при заряде конденсатора интегрирующей цепи [30]. [c.101]

    Время, прошедшее между замыканием первого, и второго контактов, из.меряли специально сконструированным для этой цели электронным прибором, позволяющим производить измерение длительности кратковременных процессов в полевых условиях. Принцип его действия основан на измерении величины электрического заряда, приобретаемого конденсатором за некоторый промежуток времени Т, прошедший между замыканием двух контактов. Питание прибора осуществляется от сети переменного тока частотой 50. гц, напряжением 220 в, стабилизация которого предусмотрена в приборе, а также от источника постоянного тока, типа сухих элементов БАС-вО. Принципиальная схема прибора представлена на фиг. 4.  [c.21]

    Метод баллистического гальванометра основан на механическом интегрировании протекающего через гальванометр тока. Угол поворота рамки гальванометра пропорционален интегралу тока. Поэтому рамки таких приборов обладают сравнительно большим моментом инерции (подвешивается дополнительный груз). В гальванометрах отсутствует приспособление для создания момента, противодействующего повороту рамки. Для выполнения условий интегрирования постоянная времени гальванометра должна более чем в три раза превышать длительность интегрируемого тока. При измерении этим методом зарядов, образование которых растянуто во времени, их вначале накапливают на электрическом конденсаторе, который затем разряжается через баллистический гальванометр. [c.130]

    Электрохимическими преобразователями, или хемотронами, называют приборы и отдельные элементы устройств, принцип действия которых основан на законах электрохимии. Электрохимические системы такого рода выполняют роль диодов, датчиков, интеграторов, запоминающих устройств и соответственно выполняют функции выпрямления, усиления и генерирования электрических сигналов, измерения неэлектрических величин и др. В хемотронах происходят процессы преобразования электрической энергии в химическую, а также механической энергии в электрическую и др. В отличие от электронных устройств (ламповых и полупроводниковых), в которых перенос электричества осуществляется электронами, в электрохимических преобразователях заряды переносятся ионами. Согласно закону Фарадея, количество вещества, претерпевщего изменение на электроде, пропорционально количеству прошедшего электричества. Поэтому измеряя тем или иным способом количественное изменение вещества, можно определить количество электричества, т. е. интегрировать электрические сигналы. Для этого электрохимическая реакция должна быть а) обратимой, т. е. реакция на аноде должна быть обратной реакции на катоде. Например, на аноде Си — 2е на катоде Си + + 2е Си б) ре- [c.417]

    Действие электрических приборов основано на использовании пропорциональности между изменением некоторых электрических свойств материалов и изменением давления. Например, омическое сопротивление некоторых сплавов пропорционально давлению окружающей среды это свойство используется при измерении высоких давлений. Величина электрических зарядов, появляющихся на поверхности кристаллического диэлектрика при сжатии и растяжении кристалла, пропйрциональна действующему давлению это свойство используется при измерении быстропеременных давлений. [c.50]

    Наши сомневающиеся читатели просто не поняли уравнения (1). Скорость есть скорость движения заряда q относительно данного наблюдателя, а В и Е-это просто поля, измеренные на заряде q приборами, находящимися в покое по отношению к этому наблюдателю. Здесь ничего не говорится и не утверждается о движении полей или их источников. В самом деле, в электродинамике нельзя определить движущуюся силовую линию однозначно. Например, хотя летящий голубь видит силовые линии электрического поля, неподвижный голубь не видит тех же самых силовых линий, движущихся относительно него со скоростью —. Действительно, сидящий голубь вовсе не видит силовых линий (Е = 0). Красота рассмотрения электромагнетизма с позиций теории поля состоит в том, что данный наблюдатель может ничего не знать о движении или других свойствах контура, создающего электромагнитное поле. Наблюдатель должен только измерить поля и применить уравнение (1). Для детального анализа электрических полей, действие которых испытывают движущиеся и покоящиеся организмы, читатель может обратиться к работе Kalmijn, 1974. [c.68]

    Протон был открыт с помощью прибора, подобного использованному Томсоном для измерения отношения заряда электрона к его массе е/т (см. рис. 4.4). На существование протона указывали результаты некоторых опытов при исследовании радиоактивности (см. разд. 4.4), и приблизительно к 1920 г. были установлены его название и свойства. При применении такой же комбинации электрического и магнитного полей, какая показана на рис. 4.4, пучок положительно заряженных частиц отклоняется подобно тому, как это происходит с электронами. Вместо простого катода, эмиттирующего электроны, в данном случае применяется источник положительных ионов, пучок которьЕс затем проходит через трубку. Простейшие положительные ионы, полученные таким образом, образовывались из водорода, и эти ионы водорода Н впоследствии оказались положительно заряженными частицами, несущими единичный положительный заряд и называемыми протонами. Установив из указанных экспериментов величину отношения заряда протона к его массе и предполагая, что заряд протона равен по величине, но противоположен по зна- [c.59]

    Разработан электростатический анализатор размеров частиц диаметром 1—20 мк в котором частицы заряжаются в коронном разряде и затем осаждаются под действием электрического поля на стейках трубы По существу он анало гичен приборам для измерения электрического заряда частиц (см главу 3) и дает довольно полное разделение частиц Разработан также сходный метод, при годный для частиц диаметром выше О 4 мк Остроумный метод предложен ный Фостером дает возможность определять среднии размер частиц уни [c.255]

    Метод фокусировки по направлению использован в большом числе сконструированных приборов, включая и промышленные образцы для аналитического применения. Поэтому имеет смысл рассмотреть прибор Демпстера несколько более детально. Уравнение (2), записанное в форме Я = mvlHe, показывает, что все ионы, входящие в магнитное поле и обладающие одним и тем же зарядом и импульсом, будут двигаться по кривой с одинаковым радиусом независимо от массы, в то время как ионы с различными импульсами двигаются по кривым с разными радиусами. Отсюда ясно, что данная форма анализатора приводит к образованию спектра импульсов ионов, который также является масс-спектром, если все ионы, входящие в поле, обладают одинаковой энергией, так что каждой массе соответствует определенная скорость. Данный факт был установлен Астоном [80], который по этой причине возражал против использования Демистером термина шасс-спектрограф . Действительно, подобные приборы называют иногда спектрометры импульсов . Ввиду того что в них применена электрическая регистрация и они могут быть поэтому использованы для измерения относительной распространенности, их также иногда называют спектрометры распространенности . Если все изучаемые заряженные частицы обладают одной и той же массой, спектрометр с 180-градусным магнитным сектором может быть использован для изучения пределов энергий частиц, и установка становится спектрометром энергии [1412]. [c.20]

    В приборе для измерения радиальных полей вращающаяся и неподвижная детали представляют собой сегменты цилиндра наружным диаметром примерш 18 мм. с>тот прибор измеряет напряженность поля, нормального к заземленной цилиндрической поверхности, помещенной в жидкость. Первоначально этот прибор был построен для измерения напряженности электрического поля, окружающего внутреннее оборудование резервуара (затяжки, тросы, которые моделировались этим прибором), но в последующем он применялся главным образом для измерений объемного заряда в жидкости, текущей в трубе, т. е. для измерения тока движущихся зарядов (см. ниже). [c.180]

    Аналогичный прибор (за исключением способа зарядки частиц) был разработан Джиллеспи и Ленгстротом которые, очевидно, не знали работы Романна. Их метод измерения более точен, а электроды расположены вертикально, так как прибор предназначен для частиц с заметной скоростью оседания. Частицы осаждались в электрическом поле на предметные стекла таким образом, что при последующем просмотре можно было определить заряд осевшей частицы из ее размера и положения на стекле (рис. 3.11). [c.96]

    Разработан электростатический анализатор размеров частиц диаметром 1—20 мк, в котором частицы заряжаются в коронном разряде и затем осаждаются под действием электрического поля на стенках трубы По существу он аналогичен приборам для измерения электрического заряда частиц (см. главу 3) и дает довольно полное разделение частиц. Разработан также сходный метод, пригодный для частиц диаметром выше 0,4 мк Остроумный метод, предложенный Фостером 1 , дает возможность определять средний размер частиц униполярно заряженных аэрозолей по весу осадков на отдельных секциях цилиндрического осадительного электрода. [c.255]

    В прибор наливают воду или водный раствор и отмечают уровень жидкости в капилляре. Если к электродам приложить разность потенциалов, то противоионы диффузного слоя, энергетически слабо связанные с поверхностью твердой фазы (мембрана), будут перемен1аться к соответствующему электроду и благодаря молекулярному трению увлекать за собой дисперсионную среду (водный раствор). Вполне естественно предположить, что че.м больше потенциал диффузного слоя, тем больше переносчиков зарядов, тем выше скорость перемещения жидкости в пористом теле. Скорость течения жидкости и ее направление при постоянной напряженности э.1ектрпческого ноля определяются свойствами мембраны и раствора. Таким образом, уже качественное изучение электроосмоса позволяет однозначно определить знак -потенциала, а количественные измерения—установить зависимость между скоростью переноса жидкости и -потенциалом. Изменяя состав и свойства дисперсионной среды, можно проследить за изменением структуры двойного электрического слоя по изменению значения электрокинетического потенциала. [c.260]

    Исключение омической составляющей основано на прямо пропорциональной связи ее с поляризующим током в момент выключения тока она исчезает практически мгновенно. В то же время поляризационный потенциал, как величина, связанная с зарядом двойного электрического слоя на поверхности поляризуемого электрода, после выключения поляризующего тока, возвращается к первоначальному значению за какой-то конечный промежуток времени, т. е. значительно медленнее. Если разность потенциалов между электродами измерить сразу после отключения тока каким-нибудь безынерционным способом (например, электронным осциллографом), результат измерения будет мало отличаться от поляризационного потенциала. При использовании вольтметров с механическими инерционными указателями без накопительной емкости указатель после включения прибора все время движется и характер движения зависит от инерционных свойств подвижной системы прибора. Применение накопительного конденсатора позволяет стабилизировать движение указателей приборов с механическими инерционными системами и применить такие приборы для измерений в момент отклю- [c.65]

    Пьезокварцевый индикатор построен на принципе трансформации давления газов, оказываемого на датчик детонометра, в электрические заряды, возникающие на кристалллах кварца и пропорциональные давлению. Датчик пьеаокварцевого детонометра устанавливается в камере сгорания двигателя. Удар детонационной и ударной волн воспринимается непосредственно мембраной датчика. Электрические заряды после усиления дифференцируют для получения величины ускорения давления при отражении детонационной или ударной волн. В результате на экране прибора отображается вторая производная давления по времени. На рис. 4 приведена осциллограмма, иллюстрирующая протекание второй производной от давления газов по времени при детонации и при отсутствии последней. При практических измерениях записи второй производной давления обычно не производятся. В большинстве случаев для измерений применяется стрелочный указывающий прибор, нaпpимeJp магнитоэлектрический гальванометр. Степень отклонения стрелки прибора от ее нулевого положения дает представление об интенсивности детонации в двигателе. [c.243]

    Для определения отношения двух нестабильных сигналов постоянного тока используют различные методы интегрирования. В большинстве случаев для этого необходимы сравнительно длительные измерения. Наиболее часто применяют способ, в котором к входам усилителей подключаются конденсаторы, при помощи которых интегрируются ионные токи (Штраус, 1941 Капеллен и др., 1965). Этот подход имеет ряд важных преимуществ он позволяет измерять электрические сигналы с высокой точностью и снижать электрические шумы метод относительно прост, так как накопленный заряд можно определить с помощью простой системы измерения напряжений. Конденсатор легко можно разместить в приборе, в том числе и в области поля. К недостаткам метода относится то, что ионные токи нельзя измерять непрерывно, поскольку перед измерением следующей линии необходимо закорачивание конденсатора, которое вызывает значительную задержку во вре- [c.146]

    Для изучения фотоэлектрического эффекта обычно пользуются одной из двух схем, изображенных на рис. 6, где Л—освещаемая поверхность, В—проводник, С—источник напряжения и Е—электрометр Г или гальванометр. Фотоэлектроны, вырывалсь нз А в В, замыкают цепь, ток в которой может быть измерен прибором Е. Если неосвещаемый электрод В присоединен к полюсу (+) батарей, то он притягивает электроны и ускоряет их поток. При обратном соединении получается замедляющее поле, и когда электрическая сила еУ (где е—заряд электрона и И—сила поля между А м В) равна кинетической [c.56]

    Научная значимость этого замечательного прибора возросла еще более после того, как акад. Д. В. Скобельцын предложил помещать ее в магнитное (электрическое) поле. Последнее искривляет путь частиц (рис. 20, б). По направлению изгиба трэка можно определить знак заряда частицы. Измерением радиуса кривизны трэка можно найти скорость движения частицы (если известна ее масса) или массу (если известны заряд частицы и напряженность поля). [c.104]

    Научная значимость этого замечательного прибора возросла еще более после того, как акад. Д. В. Скобельцын предложил помещать ее в магнитное (электрическое) поле. Последнее искривляет путь частиц (рис. 23, б). По направлению изгиба трека можно определить знак заряда частицы. Измерением [c.100]

    Несмотря на разнообразие датчиков и измерительных схем, измерения электрическими методами с помощью электронных приборов в конечном счете сводятся к онределению напряженпя, силы тока, заряда или сопротивления. Поэтому целесообразно рассмотреть общие методы измерения этих величин [c.118]

    Система измерений построена следующим образом. Вначале, после окончания времени предварительного обжига, к стрелке потенциометра автоматически подключается канал иеразложен-ного света. Под действием его сигнала стрелка начинает отклоняться и доходит до определенного, заранее заданного деления. В это же время происходит накопление заряда на конденсаторе, питаемом электрическим сигналом от фотоэлемента, измеряющего световой поток аналитической линии. Когда стрелка прибора доходит до определенного, заданного ей деления, происходит автоматическое выключение источника света и отключение измерительного прибора от конденсатора неразложенного света. К прибору подключается конденсатор разложенного света и его стрелка начинает отклоняться под действием сигнала аналитической линии. Таким образом, световую энергию аналитической линии измеряют относительно световой энергии неразложенного света, служащего внутренним стандартом. [c.231]

Единица измерения электрического заряда

Закон Кулона. Измерение электрического заряда.

В результате долгих наблюдений учеными было установлено, что разноименно заряженные тела притягиваются, а одноименно заряженные наоборот – отталкиваются. Это значит, что между телами возникают силы взаимодействия. Французский физик Ш. Кулон опытным путем исследовал закономерности взаимодействия металлических шаров и установил, что сила взаимодействия между двумя точечными электрическими зарядами будет прямопропорциональна произведению этих зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними:

Где k – коэффициент пропорциональности, зависящий от выбора единиц измерений физических величин, которые входят в формулу, а также и от среды, в которой находятся электрические заряды q
₁ и q₂. r – расстояние между ними.

Отсюда можем сделать вывод, что закон Кулона будет справедлив только точечных зарядов, то есть для таких тел, размерами которых вполне можно пренебречь по сравнению с расстояниями между ними.

В векторной форме закон Кулона будет иметь вид:

Где q₁ и q₂ заряды, а r – радиус-вектор их соединяющий; r = |r|.

Силы, которые действуют на заряды, называют центральными. Они направлены по прямой, соединяющей эти заряды, причем сила, действующая со стороны заряда q₂ на заряд q₁, равна силе, действующей со стороны заряда q₁ на заряд q₂, и противоположна ей по знаку.

Для измерения электрических величин могут использоваться две системы счисления – система СИ (основная) и иногда могут использовать систему СГС.

В системе СИ одной из главных электрических величин является единица силы тока – ампер (А), то единица электрического заряда будет ее производной (выражается через единицу силы тока). Единицей определения заряда в СИ является кулон. 1 кулон (Кл) – это количество «электричества», проходящего через поперечное сечение проводника за 1 с при токе в 1 А, то есть 1 Кл = 1 А·с.

Коэффициент k в формуле 1а) в СИ принимается равным:

И закон Кулона можно будет записать в так называемой «рационализированной» форме:

Многие уравнения, описывающие магнитные и электрические явления, содержат множитель 4π. Однако, если данный множитель ввести в знаменатель закона Кулона, то он исчезнет из большинства формул магнетизма и электричества, которые очень часто применяют в практических расчетах. Такую форму записи уравнения называют рационализированной.

Величина ε₀ в данной формуле – электрическая постоянная.

Основными единицами системы СГС являются механические единицы СГС (грамм, секунда, сантиметр). Новые основные единицы дополнительно к вышеперечисленным трем в системе СГС не вводятся. Коэффициент k в формуле (1) принимается равным единице и безразмерным. Соответственно закон Кулона в не рационализированной форме будет иметь вид:

В системе СГС силу измеряют в динах: 1 дин = 1 г·см/с², а расстояние в сантиметрах. Предположим, что q = q₁ = q₂, тогда из формулы (4) получим:

Если r = 1см, а F = 1 дин, то из этой формулы следует, что в системе СГС за единицу заряда принимают точечный заряд, который (в вакууме) действует на равный ему заряд, удаленный от него на расстояние 1 см, с силой в 1 дин. Такая единица заряда называется абсолютной электростатической единицей количества электричества (заряда) и обозначается СГС
_q. Ее размерность:

Для вычисления величины ε₀, сравним выражения для закона Кулона, записанные в системе СИ и СГС. Два точечных заряда по 1 Кл каждый, которые находятся на расстоянии 1 м друг от друга, будут взаимодействовать с силой (согласно формуле 3):

В СГС данная сила будет равна:

Сила взаимодействия между двумя заряженными частицами зависит от среды, в которой они находятся. Чтобы характеризовать электрические свойства различных, сред было введено понятие относительной диэлектрической проницательности ε.

Значение ε это различная величина для разных веществ – для сегнетоэлектриков ее значение лежит в пределах 200 – 100 000, для кристаллических веществ от 4 до 3000, для стекла от 3 до 20, для полярных жидкостей от 3 до 81, для неполярных жидкостей от 1,8 до 2,3; для газов от 1,0002 до 1,006.

Также от температуры окружающей среды зависит и диэлектрическая проницаемость (относительная).

Если учесть диэлектрическую проницаемость среды, в которую помещены заряды, в СИ закон Кулона примет вид:

Диэлектрическая проницаемость ε – величина безразмерная и она не зависит от выбора единиц измерения и для вакуума считается равной ε = 1. Тогда для вакуума закон Кулона примет вид:

Поделив выражение (6) на (5) получим:

Соответственно относительная диэлектрическая проницаемость ε показывает, во сколько раз сила взаимодействия между точечными зарядами в какой-то среде, которые находятся на расстоянии r друг относительно друга меньше, чем в вакууме, при том же расстоянии.

Для раздела электричества и магнетизма систему СГС иногда называют системой Гаусса. До появления системы СГС действовали системы СГСЭ (СГС электрическая) для измерения электрических величин и СГСМ (СГС магнитная) для измерения магнитных величин. В первой равной единице принималась электрическая постоянная ε₀, а второй магнитная постоянная μ₀.

В системе СГС формулы электростатики совпадают соответствующими формулами СГСЭ, а формулы магнетизма, при условии, что они содержат только магнитные величины – с соответствующими формулами в СГСМ.

Но если в уравнении одновременно будет содержаться и магнитные, и электрические величины, то данное уравнение, записанное в системе Гаусса, будет отличаться от этого же уравнения, но записанного в системе СГСМ или СГСЭ множителем 1/с или 1/с². Величина с равна скорости света (с = 3·10¹⁰ см/с) называется электродинамической постоянной.

Закон Кулона в системе СГС будет иметь вид:

Пример

На двух абсолютно идентичных каплях масла недостает по одному электрону. Силу ньютоновского притяжения уравновешивает сила кулоновского отталкивания. Нужно определить радиусы капель, если расстояния между ними значительно превышает их линейные размеры.

Решение

Поскольку расстояние между каплями r значительно больше их линейных размеров, то капли можно принять за точечные заряды, и тогда сила кулоновского отталкивания будет равна:

Где е – положительный заряд капли масла, равный заряду электрона.

Силу ньютоновского притяжения можно выразить формулой:

Где m – масса капли, а γ – гравитационная постоянная. Согласно условию задачи F_к = F_н, поэтому:

Масса капли выражена через произведение плотности ρ на объем V, то есть m = ρV, а объем капли радиуса R равен V = (4/3)πR³, откуда получаем:

В данной формуле постоянные π, ε₀, γ известны; ε = 1; также известен и заряд электрона е = 1,6·10^-19 Кл и плотность масла ρ = 780 кг/м³ (справочные данные). Подставив числовые значения в формулу получим результат: R = 0,363·10^-7 м.

Что такое электрический заряд в каких единицах он измеряется

Простое объяснение понятия электрический заряд. Что это за величина, в чем она измеряется и как, собственно, ее измеряют.

В природе не все можно объяснить с точки зрения механики, МКТ и термодинамики, есть и электромагнитные явления, которые воздействуют на тело, при этом не зависят от их массы. Способность тел быть источником электромагнитных полей характеризуется физической скалярной величиной – электрическим зарядом. Его впервые вывели в законе Кулона в 1785 году, но обратили внимание на его существование еще до нашей эры. В этой статье мы простыми словами расскажем о том, что такое электрический заряд и как он измеряется. Содержание:

История открытий

Еще в древности было замечено, что если потереть янтарь о шелковую материю, то камень начнет притягивать к себе легкие предметы. Уильям Гильберт изучал эти опыты до конца XVI века. В отчете о проделанной работе предметы, которые могут притягивать другие тела, назвал наэлектризованными.

Следующие открытия в 1729 году сделал Шарль Дюфе, наблюдая за поведением тел при их трении об разные материи. Таким образом он доказал существование двух видов зарядов: первые образуются при трении смолы о шерсть, а вторые – при трении стекла о шелк. Следуя логике, он назвал их «смоляными» и «стеклянными». Бенджамин Франклин также исследовал этот вопрос и ввел понятия положительного и отрицательного заряда. На иллюстрации – Б. Франклин ловит молнию.

Шарлем Кулоном, портрет которого изображен ниже, был открыт закон, который впоследствии был назван Законом Кулона. Он описывал взаимодействие двух точечных зарядов. Также смог измерить величину и изобрел для этого крутильные весы, о которых мы расскажем позже.

И уже в начале прошлого века Роберт Милликен, в результате проведенных опытов, доказал их дискретность. Это значит, что заряд каждого тела равен целому кратному элементарного электрического заряда, а элементарным является электрон.

Теоретические сведения

Электрическим зарядом называется способность тел создавать электромагнитное поле. В физике раздел электростатики изучает взаимодействия неподвижных относительно выбранной инерциальной системы отчета зарядов.

В чем выражается взаимодействие

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

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

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

Способы измерения

Существует ряд способов измерения электрического заряда, давайте рассмотрим некоторые из них. Измерительный прибор называется крутильными весами.

Весы Кулона – это крутильные весы его изобретения. Смысл заключается, в том, что в сосуде на кварцевой нити подвешена легкая штанга с двумя шариками на концах, и один неподвижный заряженный шарик. Вторым концом нить закреплена за колпак. Неподвижный шарик вынимается, для того чтобы сообщить ему заряд, после этого нужно установить его обратно в сосуд. После этого подвешенная на нити часть начнет движение. На сосуде нанесена проградуированная шкала. Принцип его действия отражен на видео.

Другой прибор для измерения электрического заряда – электроскоп. Он, как и предыдущие, представляет собой стеклянный сосуд с электродом, на котором закреплено два металлических листочка из фольги. Заряженное тело подносят к верхнему концу электрода, по которому заряд стекает на фольгу, в результате оба листочка окажутся одноименно заряженными и начнут отталкиваться. Величину заряда определяют по тому, насколько сильно они отклонятся.

Электрометр – еще один измерительный прибор. Состоит из металлического стержня и вращающейся стрелки. При прикосновении к электрометру заряженным телом, заряды стекают по стержню к стрелке, стрелка отклоняется и указывает на шкале определенную величину.

Напоследок рекомендуем просмотреть еще одно полезное видео по теме:

Мы рассмотрели важную физическую величину. Учения о ней позволили значительно расширить знания об электричестве в целом. Вклад в науку и технику достаточно весомый, а область применения этих знаний связана и с медициной. Ионизаторы воздуха положительно воздействуют на организм человека: ускоряют процесс доставки кислорода из воздуха к клеткам. Примером такого прибора является люстра Чижевского. Теперь вы знаете, что такое электрический заряд и как его измеряют.

Материалы по теме:

• Как перевести ватты в киловатты
• Закон Джоуля-Ленца простыми словами
• Что такое статическое электричество

Нравится0)Не нравится0)

Кулон электрический заряд физика величина формула сила

Кулон.

Кулон – единица измерения электрического заряда (количества электричества), а также потока электрической индукции (потока электрического смещения) в Международной системе единиц (СИ). Имеет русское обозначение – Кл и международное обозначение – C.

Кулон, как единица измерения

Применение кулона

Представление кулона в других единицах измерения – формулы

Кратные и дольные единицы кулона

Интересные примеры

Другие единицы измерения

Кулон, как единица измерения:

Кулон – единица измерения электрического заряда (количества электричества), а также потока электрической индукции (потока электрического смещения) в Международной системе единиц (СИ), названная в честь в честь французского физика и инженера Шарля Кулона.

Кулон как единица измерения имеет русское обозначение – Кл и международное обозначение – С.

1 кулон определяется как величина заряда, прошедшего через проводник при силе тока 1 ампер за время 1 секунду.

Кл = А · с.

1 Кл = 1 А · с = 1 / 3600 ампер-часа.

Заряд в один кулон очень велик. Если бы два носителя заряда (q1 = q2 = 1 Кл) расположили в вакууме на расстоянии 1 м, то они взаимодействовали бы с силой 9⋅10⁹ H, то есть с силой, с которой гравитация Земли притягивает предмет массой порядка 1 миллиона тонн.

Электрический заряд (количество электричества) представляет собой физическую скалярную величину. Носителями электрического заряда являются электрически заряженные элементарные частицы (электрон, позитрон, протон и пр.). Наименьшей по массе устойчивой в свободном состоянии частицей, имеющей один отрицательный элементарный электрический заряд, является электрон. Электрический заряд электрона неделим и равен -1,6021766208(98)⋅10⁻¹⁹ Кл. Заряд протона также равен заряду электрона, но с противоположным знаком (знаком +) и равен +1,6021766208(98)⋅10⁻¹⁹ Кл.

Таким образом, элементарный электрический заряд (с точностью до знака равный заряду электрона или протона) составляет вышеуказанную величину +/- 1,602176 6208(98)⋅10⁻¹⁹ Кл.  Соответственно электрический заряд 6,24151⋅10¹⁸ электронов равен -1 Кл, а электрический заряд 6,24151⋅10¹⁸ протонов равен +1 Кл. При этом масса электрона составляет 9,10938356(11)⋅10⁻³¹ кг, а протона 1,672 621 923 69(51)⋅10⁻²⁷ кг.

Наименьшая по массе устойчивая в свободном состоянии античастица с положительным элементарным зарядом – позитрон, имеющая такой же электрический заряд, что и электрон, но со знаком +. Электрический заряд позитрона равен +1,6021766208(98)⋅10⁻¹⁹ Кл. Масса позитрона 9,10938356(11)⋅10⁻³¹кг.

В Международную систему единиц кулон введён решением XI Генеральной конференцией по мерам и весам в 1960 году, одновременно с принятием системы СИ в целом. В соответствии с правилами СИ, касающимися производных единиц, названных по имени учёных, наименование единицы «кулон» пишется со строчной буквы, а её обозначение — с заглавной (Кл). Такое написание обозначения сохраняется и в обозначениях производных единиц, образованных с использованием кулона.

Применение кулона:

В кулонах измеряют электрический заряд (количество электричества), поток электрической индукции (поток электрического смещения).

Представление кулона в других единицах измерения – формулы:

Через основные и производные единицы системы СИ кулон выражается следующим образом:

Кл = А · с

где  Кл – кулон, А – ампер,  с – секунда.

Кратные и дольные единицы кулона:

Кратные и дольные единицы образуются с помощью стандартных приставок СИ.

Интересные примеры:

При прохождении одного кулона через вольтаметр, наполненный раствором азотносеребряной соли, выделяется на катоде этого вольтаметра количество серебра, равное 0,001118 г.

При прохождении одного кулона через вольтаметр, наполненный подкисленной водой, выделяется 0,174 см³ гремучего газа (при 0° и 760 мм давления).

Источник: https://ru.wikipedia.org/wiki/Кулон

Примечание: © Фото https://www.pexels.com, https://pixabay.com

Найти что-нибудь еще?

Похожие записи:

карта сайта

кулон электрический заряд физика величина формула
закон заряд сила взаимодействия формула виды законов коэффициент закона кулона можно записать в виде взаимодействие зарядов сила

Коэффициент востребованности 1 277

Электрический заряд. Закон Кулона

Определение 1

Многие из окружающих нас физических явлений, происходящих в природе, не находят объяснения в законах механики, термодинамики и молекулярно-кинетической теории. Такие явления основываются на влиянии сил, действующих между телами на расстоянии и независимых от масс взаимодействующих тел, что сразу отрицает их возможную гравитационную природу. Данные силы называются электромагнитными.

Еще древние греки имели некоторое представление об электромагнитных силах. Однако только в конце XVIII века началось систематическое, количественное изучение физических явлений, связанных с электромагнитным взаимодействием тел.

Определение 2

Благодаря кропотливому труду большого количества ученых в XIX веке было завершено создание абсолютно новой стройной науки, занимающейся изучением магнитных и электрических явлений. Так один из важнейших разделов физики, получил название электродинамики.

Создаваемые электрическими зарядами и токами электрические и магнитные поля стали ее основными объектами изучения.

Электрическое поле

Понятие заряда в электродинамике играет ту же роль, что и гравитационная масса в механике Ньютона. Оно входит в фундамент раздела и является для него первичным.

Определение 3

Электрический заряд представляет собой физическую величину, которая характеризует свойство частиц или тел вступать в электромагнитные силовые взаимодействия.

Буквами q или Q в электродинамике обычно обозначают электрический заряд.

В комплексе все известные экспериментально доказанные факты дают нам возможность сделать следующие выводы:

Определение 4

Существует два рода электрических зарядов. Это, условно названные, положительные

Закон Кулона. Единица электрического заряда

Закон Кулона. Единица электрического заряда

Подробности

Просмотров: 370

«Физика — 10 класс»

Какие взаимодействия называют электромагнитными?
В чём проявляется взаимодействие зарядов?

Приступим к изучению количественных законов электромагнитных взаимодействий. Основной закон электростатики — закон взаимодействия двух неподвижных точечных заряженных тел.

Основной закон электростатики был экспериментально установлен Шарлем Кулоном в 1785 г. и носит его имя.

Если расстояние между телами во много раз больше их размеров, то ни форма, ни размеры заряженных тел существенно не влияют на взаимодействия между ними.

Вспомните, что и закон всемирного тяготения тоже сформулирован для тел, которые можно считать материальными точками.

Заряженные тела, размерами и формой которых можно пренебречь при их взаимодействии, называются точечными зарядами.

Сила взаимодействия заряженных тел зависит от свойств среды между заряженными телами. Пока будем считать, что взаимодействие происходит в вакууме. Опыт показывает, что воздух очень мало влияет на силу взаимодействия заряженных тел, она оказывается почти такой же, как и в вакууме.

Опыты Кулона.

Идея опытов Кулона аналогична идее опыта Кавендиша по определению гравитационной постоянной. Открытие закона взаимодействия электрических зарядов было облегчено тем, что эти силы оказались велики и благодаря этому не нужно было применять особо чувствительную аппаратуру, как при проверке закона всемирного тяготения в земных условиях. С помощью крутильных весов удалось установить, как взаимодействуют друг с другом неподвижные заряженные тела.

Крутильные весы состоят из стеклянной палочки, подвешенной на тонкой упругой проволочке (рис. 14.3). На одном конце палочки закреплён маленький металлический шарик а, а на другом — противовес с. Ещё один металлический шарик b закреплён неподвижно на стержне, который, в свою очередь, крепится на крышке весов.

При сообщении шарикам одноимённых зарядов они начинают отталкиваться друг от друга. Чтобы удержать их на фиксированном расстоянии, упругую проволочку нужно закрутить на некоторый угол до тех пор, пока возникшая сила упругости не скомпенсирует кулоновскую силу отталкивания шариков. По углу закручивания проволочки определяют силу взаимодействия шариков.

Крутильные весы позволили изучить зависимость силы взаимодействия заряженных шариков от значений зарядов и от расстояния между ними. Измерять силу и расстояние в то время умели. Единственная трудность была связана с зарядом, для измерения которого не существовало даже единиц. Кулон нашёл простой способ изменения заряда одного из шариков в 2, 4 и более раза, соединяя его с таким же незаряженным шариком. Заряд при этом распределялся поровну между шариками, что и уменьшало исследуемый заряд в известном отношении. Новое значение силы взаимодействия при новом заряде определялось экспериментально.

Закон Кулона.

Опыты Кулона привели к установлению закона, поразительно напоминающего закон всемирного тяготения.

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

Силу взаимодействия зарядов называют кулоновской силой.

Если обозначить модули зарядов через |q₁ и |q₂|, а расстояние между ними через r, то закон Кулона можно записать в следующей форме:

где k — коэффициент пропорциональности, численно равный силе взаимодействия единичных зарядов на расстоянии, равном единице длины. Его значение зависит от выбора системы единиц.

Такую же форму (14.2) имеет закон всемирного тяготения, только вместо заряда в закон тяготения входят массы, а роль коэффициента к играет гравитационная постоянная.

Легко обнаружить, что два заряженных шарика, подвешенные на нитях, либо притягиваются друг к другу, либо отталкиваются. Отсюда следует, что силы взаимодействия двух неподвижных точечных зарядов направлены вдоль прямой, соединяющей эти заряды (рис. 14.4).

Подобные силы называют центральными. В соответствии с третьим законом Ньютона _1,2 = —_2,1.

Единица электрического заряда.

Выбор единицы заряда, как и других физических величин, произволен. Естественно было бы за единицу принять заряд электрона, что и сделано в атомной физике, но этот заряд слишком мал, и поэтому пользоваться им в качестве единицы заряда не всегда удобно.

В Международной системе единиц (СИ) единица заряда является не основной, а производной и эталон для неё не вводится. Наряду с метром, секундой и килограммом в СИ введена основная единица для электрических величин — единица силы тока — ампер. Эталонное значение ампера устанавливается с помощью магнитных взаимодействий токов.

Единицу заряда в СИ — кулон устанавливают с помощью единицы силы тока.

Один кулон (1 Кл) — это заряд, проходящий за 1 с через поперечное сечение проводника при силе тока 1 А: 1 Кл = 1 А • 1 с.

Единица коэффициента k в законе Кулона при записи его в единицах СИ — Н • м²/Кл², так как согласно формуле (14.2) имеем

где сила взаимодействия зарядов выражается в ньютонах, расстояние — в метрах, заряд — в кулонах. Числовое значение этого коэффициента можно определить экспериментально. Для этого надо измерить силу взаимодействия F между двумя известными зарядами |q₁| и |q₂|, находящимися на заданном расстоянии r, и эти значения подставить в формулу (14.3). Полученное значение k будет равно:

k = 9 • 10⁹ Н • м²/Кл².         (14.4)

Заряд в 1 Кл очень велик. Сила взаимодействия двух точечных зарядов, по 1 Кл каждый, расположенных на расстоянии 1 км друг от друга, чуть меньше силы, с которой земной шар притягивает груз массой 1 т. Поэтому сообщить небольшому телу (размером порядка нескольких метров) заряд в 1 Кл невозможно.

Отталкиваясь друг от друга, заряженные частицы не могут удержаться на теле. Никаких других сил, способных в данных условиях компенсировать кулоновское отталкивание, в природе не существует.

Но в проводнике, который в целом нейтрален, привести в движение заряд в 1 Кл не составляет большого труда. Ведь в обычной электрической лампочке мощностью 200 Вт при напряжении 220 В сила тока немного меньше 1 А. При этом за 1 с через поперечное сечение проводника проходит заряд, почти равный 1 Кл.

Вместо коэффициента k часто применяется другой коэффициент, который называется электрической постоянной ε₀. Она связана с коэффициентом k следующим соотношением:

Закон Кулона в этом случае имеет вид

Если заряды взаимодействуют в среде, то сила взаимодействия уменьшается:

где ε — диэлектрическая проницаемость среды, показывающая, во сколько раз сила взаимодействия зарядов в среде меньше, чем в вакууме.

Минимальный заряд, существующий в природе, — это заряд элементарных частиц. В единицах СИ модуль этого заряда равен:

е = 1,6 • 10^-19 Кл.         (14.5)

Заряд, который можно сообщить телу, всегда кратен минимальному заряду:

q = ±N|е|,

где N — целое число. Когда заряд тела существенно больше по модулю минимального заряда, то проверять кратность не имеет смысла, однако когда речь идёт о заряде частиц, ядер атомов, то заряд их должен быть всегда равен целому числу модулей заряда электрона.

Источник: «Физика — 10 класс», 2014, учебник Мякишев, Буховцев, Сотский

Электростатика — Физика, учебник для 10 класса — Класс!ная физика

Что такое электродинамика — Электрический заряд и элементарные частицы. Закон сохранения заряд — Закон Кулона. Единица электрического заряда — Примеры решения задач по теме «Закон Кулона» — Близкодействие и действие на расстоянии — Электрическое поле — Напряжённость электрического поля. Силовые линии — Поле точечного заряда и заряженного шара. Принцип суперпозиции полей — Примеры решения задач по теме «Напряжённость электрического поля. Принцип суперпозиции полей» — Проводники в электростатическом поле — Диэлектрики в электростатическом поле — Потенциальная энергия заряженного тела в однородном электростатическом поле — Потенциал электростатического поля и разность потенциалов — Связь между напряжённостью электростатического поля и разностью потенциалов. Эквипотенциальные поверхности — Примеры решения задач по теме «Потенциальная энергия электростатического поля. Разность потенциалов» — Электроёмкость. Единицы электроёмкости. Конденсатор — Энергия заряженного конденсатора. Применение конденсаторов — Примеры решения задач по теме «Электроёмкость. Энергия заряженного конденсатора»

Я Вопросы к зачету по разделу «Электростатика»

1. Электрический заряд (определение, обозначение, ед. измерения)

{slide=Ответ}

Электрический заряд – это физическая величина, характеризующая свойство частиц или тел вступать в электромагнитные силовые взаимодействия. Он определяет интенсивность электромагнитных взаимодействий.

Электрический заряд обычно обозначается буквами q или Q.

Единица измерения электрического заряда — Кл (кулон)

{/slide}

2. Закон сохранения электрического заряда (определение, формула)

{slide=Ответ}

Закон сохранения электрического заряда: в изолированной системе алгебраическая сумма зарядов всех тел остается постоянной: 

q₁ + q₂ + q₃ + … +q_n = const 

{/slide}

3. Закон Кулона (определение, формула)

{slide=Ответ}

Закон Кулона: Силы взаимодействия неподвижных зарядов прямо пропорциональны произведению модулей зарядов и обратно пропорциональны квадрату расстояния между ними:

, где k — коэффициент пропорциональности, равный

Тогда получаем:

{/slide}

4. Электрическое поле (определение)

{slide=Ответ}

Электрическое поле – это особая форма материи, которая существует независимо от нас и от наших знаний о нем, порождается электрическими зарядами и определяется по действию на электрические заряды.

Главное свойство электрического поля — действие на электрические заряды с некоторой силой.

{/slide}

5. Напряженность электрического поля (определение, обозначение, формула, ед. измерения)

{slide=Ответ}

Напряженностью электрического поля называют физическую величину, равную отношению силы, с которой поле действует на положительный пробный заряд, помещенный в данную точку пространства, к величине этого заряда.

или

Напряженность электрического поля – это векторная величина, численно равная силе, действующей на единичный положительный заряд, помещенный в данную точку поля, и направленная в сторону действия силы.

Напряженность обозначается буквой Е.

Единица напряженности электростатического поля в СИ — Н/Кл (ньютон на кулон)

1 Н/Кл = 1 В/м

{/slide}

6. Потенциал точки поля (определение, обозначение, формула, ед. измерения)

{slide=Ответ}

Потенциалом φ электрического поля — называют физическую величину, равную отношению потенциальной энергии электрического заряда в электростатическом поле к величине этого заряда.

Потенциал обозначается буквой φ.

Единица измерения потенциала — В (вольт)

{/slide}

7. Разность потенциалов (напряжение) (определение, обозначение, формула, ед. измерения)

{slide=Ответ}

Разность потенциалов φ₁ – φ₂   или напряжение между двумя точками поля численно равно работе сил поля по перемещению единичного заряда q между этими точками.

φ₁ – φ₂   = U = А / q

Разность потенциалов обозначается φ₁ – φ₂  , а напряжение обозначается U.

Единица измерения разности потенциалов (напряжения) — В (вольт)

{/slide}

8. Конденсатор (определение). Энергия заряженного конденсатора (формула).

{slide=Ответ}

Система проводников, электроемкость которой не зависит от внешних условий и от расположения окружающих тел, получила название конденсатора, а проводники, составляющие конденсатор, называются обкладками.

Простейший конденсатор – плоский конденсатор – система из двух плоских проводящих пластин, расположенных параллельно друг другу на малом по сравнению с размерами пластин расстоянии и разделенных слоем диэлектрика.

Энергия заряженного конденсатора равна работе внешних сил, которую необходимо затратить, чтобы зарядить конденсатор.

{/slide}

9. Электрическая емкость (определение, обозначение, формула, ед. измерения)

{slide=Ответ}

Электрическая емкость (электроемкость) —  это физическая величина, характеризующая способность проводника или системы проводников накапливать электрический заряд.

Электроемкость обозначается C

 Единица измерения электроемкости — Ф (фарад)

{/slide}

Электрический заряд — определение, формула, свойства, типы, единица измерения, зарядка

• • БЕСПЛАТНАЯ ЗАПИСЬ КЛАСС
  • КОНКУРСНЫЕ ЭКЗАМЕНА
    • BNAT
    • Классы
      • Класс 1-3
      • Класс 4-5
      • Класс 6-10
    • Класс 110003 CBSE
      • Книги NCERT
        • Книги NCERT для класса 5
        • Книги NCERT, класс 6
        • Книги NCERT для класса 7
        • Книги NCERT для класса 8
        • Книги NCERT для класса 9
        • Книги NCERT для класса 10
        • NCERT Книги для класса 11
        • NCERT Книги для класса 12
      • NCERT Exemplar
        • NCERT Exemplar Class 8
        • NCERT Exemplar Class 9
        • NCERT Exemplar Class 10
        • NCERT Exemplar Class 11

        9plar

      • RS Aggarwal
        • RS Aggarwal Решения класса 12
        • RS Aggarwal Class 11 Solutions
        • RS Aggarwal Решения класса 10
        • Решения RS Aggarwal класса 9
        • Решения RS Aggarwal класса 8
        • Решения RS Aggarwal класса 7
        • Решения RS Aggarwal класса 6
      • RD Sharma
        • RD Sharma Class 6 Решения
        • RD Sharma Class 7 Решения
        • Решения RD Sharma Class 8
        • Решения RD Sharma Class 9
        • Решения RD Sharma Class 10
        • Решения RD Sharma Class 11
        • Решения RD Sharma Class 12
      • PHYSICS
        • Механика
        • Оптика
        • Термодинамика
        • Электромагнетизм
      • ХИМИЯ
        • Органическая химия
        • Неорганическая химия
        • Периодическая таблица
      • MATHS
        • Статистика
        • Числа
        • Числа Пифагора Тр Игонометрические функции
        • Взаимосвязи и функции
        • Последовательности и серии
        • Таблицы умножения
        • Детерминанты и матрицы
        • Прибыль и убыток
        • Полиномиальные уравнения
        • Разделение фракций
      • Microology
  • FORMULAS
    • Математические формулы
    • Алгебраические формулы
    • Тригонометрические формулы
    • Геометрические формулы
  • КАЛЬКУЛЯТОРЫ
    • Математические калькуляторы
    • 000E
    • 000
    • 000
    • 000 Калькуляторы
    • 000 Образцы документов для класса 6
    • Образцы документов CBSE для класса 7
    • Образцы документов CBSE для класса 8
    • Образцы документов CBSE для класса 9
    • Образцы документов CBSE для класса 10
    • Образцы документов CBSE для класса 1 1
    • Образцы документов CBSE для класса 12
  • Вопросники предыдущего года CBSE
    • Вопросники предыдущего года CBSE, класс 10
    • Вопросники предыдущего года CBSE, класс 12
  • HC Verma Solutions
    • HC Verma Solutions Класс 11 Физика
    • HC Verma Solutions Класс 12 Физика
  • Решения Лакмира Сингха
    • Решения Лакмира Сингха класса 9
    • Решения Лахмира Сингха класса 10
    • Решения Лакмира Сингха класса 8

  9000 Класс

9000BSE 9000 Примечания3 2 6 Примечания CBSE

Примечания

9000 JEE 9000 JEE 9000 Advanced

9254

9254.

Unit of Electric Charge — знайте все о заряде

• • БЕСПЛАТНАЯ ЗАПИСЬ КЛАСС
  • КОНКУРСНЫЕ ЭКЗАМЕНА
    • BNAT
    • Классы
      • Класс 1-3
      • Класс 4-5
      • Класс 6-10
    • Класс 110003 CBSE
      • Книги NCERT
        • Книги NCERT для класса 5
        • Книги NCERT, класс 6
        • Книги NCERT для класса 7
        • Книги NCERT для класса 8
        • Книги NCERT для класса 9
        • Книги NCERT для класса 10
        • NCERT Книги для класса 11
        • NCERT Книги для класса 12
      • NCERT Exemplar
        • NCERT Exemplar Class 8
        • NCERT Exemplar Class 9
        • NCERT Exemplar Class 10
        • NCERT Exemplar Class 11

        9plar

      • RS Aggarwal
        • RS Aggarwal Решения класса 12
        • RS Aggarwal Class 11 Solutions
        • RS Aggarwal Решения класса 10
        • Решения RS Aggarwal класса 9
        • Решения RS Aggarwal класса 8
        • Решения RS Aggarwal класса 7
        • Решения RS Aggarwal класса 6
      • RD Sharma
        • RD Sharma Class 6 Решения
        • RD Sharma Class 7 Решения
        • Решения RD Sharma Class 8
        • Решения RD Sharma Class 9
        • Решения RD Sharma Class 10
        • Решения RD Sharma Class 11
        • Решения RD Sharma Class 12
      • PHYSICS
        • Механика
        • Оптика
        • Термодинамика
        • Электромагнетизм
      • ХИМИЯ
        • Органическая химия
        • Неорганическая химия
        • Периодическая таблица
      • MATHS
        • Статистика
        • Числа
        • Числа Пифагора Тр Игонометрические функции
        • Взаимосвязи и функции
        • Последовательности и серии
        • Таблицы умножения
        • Детерминанты и матрицы
        • Прибыль и убыток
        • Полиномиальные уравнения
        • Разделение фракций
      • Microology
  • FORMULAS
    • Математические формулы
    • Алгебраические формулы
    • Тригонометрические формулы
    • Геометрические формулы
  • КАЛЬКУЛЯТОРЫ
    • Математические калькуляторы
    • 000E
    • 000
    • 000
    • 000 Калькуляторы
    • 000 Образцы документов для класса 6
    • Образцы документов CBSE для класса 7
    • Образцы документов CBSE для класса 8
    • Образцы документов CBSE для класса 9
    • Образцы документов CBSE для класса 10
    • Образцы документов CBSE для класса 1 1
    • Образцы документов CBSE для класса 12
  • Вопросники предыдущего года CBSE
    • Вопросники предыдущего года CBSE, класс 10
    • Вопросники предыдущего года CBSE, класс 12
  • HC Verma Solutions
    • HC Verma Solutions Класс 11 Физика
    • HC Verma Solutions Класс 12 Физика
  • Решения Лакмира Сингха
    • Решения Лакмира Сингха класса 9
    • Решения Лахмира Сингха класса 10
    • Решения Лакмира Сингха класса 8

  9000 Класс

9000BSE 9000 Примечания3 2 6 Примечания CBSE

Примечания

9000 JEE 9000 JEE 9000 Advanced

.

электрического заряда | Свойства, примеры, единицы измерения и факты

Электрический заряд , основное свойство материи, переносимой некоторыми элементарными частицами, которое определяет, как на частицы влияет электрическое или магнитное поле. Электрический заряд, который может быть положительным или отрицательным, возникает в дискретных природных единицах и не создается и не разрушается.

Подробнее по этой теме

гроза: электрификация грозы

В пределах одной грозы есть восходящие и нисходящие потоки, а также различные частицы облаков и осадки.Измерения показывают, что …

Электрические заряды бывают двух основных типов: положительные и отрицательные. Два объекта, у которых есть избыток заряда одного типа, оказывают друг на друга силу отталкивания, когда находятся относительно близко друг к другу. Два объекта, которые имеют избыточные противоположные заряды, один положительно заряженный, а другой отрицательно заряженный, притягиваются друг к другу, когда они относительно близко. ( См. Кулоновская сила.)

Многие фундаментальные, или субатомные, частицы материи обладают свойством электрического заряда.Например, электроны имеют отрицательный заряд, а протоны имеют положительный заряд, а нейтроны имеют нулевой заряд. Экспериментально установлено, что отрицательный заряд каждого электрона имеет одинаковую величину, которая также равна положительному заряду каждого протона. Таким образом, заряд существует в естественных единицах, равных заряду электрона или протона, фундаментальной физической постоянной. Прямое и убедительное измерение заряда электрона как естественной единицы электрического заряда было впервые выполнено (1909 г.) в эксперименте Милликена с каплей масла.Атомы вещества электрически нейтральны, потому что их ядра содержат столько же протонов, сколько электронов, окружающих ядра. Электрический ток и заряженные объекты предполагают разделение части отрицательного заряда нейтральных атомов. Ток в металлических проводах состоит из дрейфа электронов, из которых один или два от каждого атома связаны более слабо, чем остальные. Некоторые атомы в поверхностном слое стеклянного стержня, положительно заряженные при протирании его шелковой тканью, потеряли электроны, оставив чистый положительный заряд из-за ненейтрализованных протонов их ядер.Отрицательно заряженный объект имеет избыток электронов на поверхности.

Милликен, эксперимент с каплей масла

Между 1909 и 1910 годами американский физик Роберт Милликен провел серию экспериментов с каплями масла. Сравнивая приложенную электрическую силу с изменениями в движении масляных капель, он смог определить электрический заряд на каждой капле. Он обнаружил, что все капли имеют заряды, кратные одному числу — фундаментальному заряду электрона.

Encyclopædia Britannica, Inc.

Электрический заряд сохраняется: в любой изолированной системе, в любой химической или ядерной реакции чистый электрический заряд постоянен. Алгебраическая сумма основных зарядов остается прежней. ( См. Сохранение заряда .)

Получите эксклюзивный доступ к контенту нашего 1768 First Edition с подпиской. Подпишитесь сегодня

Единицей электрического заряда в системах метр – килограмм – секунда и системе СИ является кулон и определяется как количество электрического заряда, протекающего через поперечное сечение проводника в электрической цепи в течение каждой секунды, когда ток имеет значение одного ампера.Один кулон состоит из 6,24 × 10 ¹⁸ естественных единиц электрического заряда, таких как отдельные электроны или протоны. По определению ампера, сам электрон имеет отрицательный заряд 1,602176634 × 10 ⁻¹⁹ кулон.

Электрохимическая единица заряда, фарадей, полезна при описании реакций электролиза, например, при нанесении металлического гальванического покрытия. Один фарадей равен 96485,332123 кулонам, заряду моля электронов (то есть числу Авогадро, 6.02214076 × 10 ²³ , электронов).

.

Электрический заряд (Q)

Что такое электрический заряд?

Электрический заряд генерирует электрическое поле. Электрический заряд влияет на другие электрические заряды с электрической силой и под влиянием другого заряжается с той же силой в противоположном направлении.

Есть 2 вида электрического заряда:

Положительный заряд (+)

Положительный заряд имеет больше протонов, чем электронов (Np> Ne).

Положительный заряд обозначается знаком плюс (+).

Положительный заряд притягивает другие отрицательные заряды и отталкивает другие положительные заряды.

Положительный заряд притягивается другим отрицательным заряды и отражаются другими положительными зарядами.

Отрицательный заряд (-)

Отрицательный заряд содержит больше электронов, чем протонов (Ne> Np).

Отрицательный заряд обозначается знаком минус (-).

Отрицательный заряд притягивает другие положительные заряды и отталкивает другие отрицательные заряды.

Отрицательный заряд притягивается другим положительным заряды и отражаются другими отрицательными зарядами.

Направление электрической силы (F) в зависимости от типа заряда

Заряд элементарных частиц

Кулон

Электрический заряд измеряется в кулонах [C].

Один кулон имеет заряд 6,242 × 10 ¹⁸ электроны:

1C = 6,242 × 10 ¹⁸ e

Электрический заряд расчет

Когда электрический ток течет в течение определенного времени, мы можем рассчитать сбор:

Постоянный ток

Q = I ⋅ т

Q — электрический заряд, измеренный в кулоны [C].

I — ток в амперах. [А].

t — период времени, измеряемый в секунды [с].

Кратковременный ток

Q — электрический заряд, измеренный в кулоны [C].

i ( t ) — мгновенный ток, измеряется в амперах [A].

t — период времени, измеряемый в секунды [с].

См. Также

.

Измерение электроэнергии — Управление энергетической информации США (EIA)

Электроэнергия измеряется в ваттах и ​​киловаттах

Электроэнергия измеряется в единицах мощности, называемых ваттами, в честь Джеймса Ватта, изобретателя паровой машины. Ватт — это единица измерения электрической мощности, равная одному амперу при давлении в один вольт.

Один ватт — это небольшая мощность. Некоторым устройствам для работы требуется всего несколько ватт, а другим устройствам требуется большее количество.Энергопотребление небольших устройств обычно измеряется в ваттах, а потребляемая мощность более крупных устройств — в киловаттах (кВт) или 1000 Вт.

Мощность производства электроэнергии часто измеряется в единицах, кратных киловаттам, например мегаваттам (МВт) и гигаваттам (ГВт). Один МВт равен 1000 кВт (или 1000000 Вт), а один ГВт равен 1000 МВт (или 1000000000 Вт).

Использование электроэнергии с течением времени измеряется в ватт-часах

Ватт-час (Втч) равен энергии одного ватта, постоянно подаваемой в электрическую цепь или отбираемой из нее в течение одного часа.Количество электроэнергии, производимой электростанцией или потребляемой потребителем электроэнергии, обычно измеряется в киловатт-часах (кВтч). Один кВтч — это один киловатт, который вырабатывается или потребляется в течение одного часа. Например, если вы используете лампочку мощностью 40 Вт (0,04 кВт) в течение пяти часов, вы израсходовали 200 Втч или 0,2 кВтч электроэнергии.

Коммунальные предприятия измеряют и контролируют потребление электроэнергии с помощью счетчиков

Электроэнергетические компании измеряют потребление электроэнергии своими потребителями с помощью счетчиков, которые обычно устанавливаются за пределами собственности потребителя, где линия электропередачи входит в собственность.Раньше все счетчики электроэнергии были механическими устройствами, которые служащему коммунального предприятия приходилось снимать вручную. Со временем стали доступны автоматизированные считывающие устройства. Эти счетчики периодически сообщают коммунальным службам об использовании электроэнергии с механических счетчиков с помощью электронного сигнала. Сейчас многие коммунальные предприятия используют электронные интеллектуальные счетчики , которые обеспечивают беспроводной доступ к данным об энергопотреблении счетчика для измерения потребления электроэнергии в режиме реального времени. Некоторые интеллектуальные счетчики могут даже измерять потребление электроэнергии отдельными устройствами и позволяют коммунальному предприятию или клиенту удаленно контролировать использование электроэнергии.

Счетчик электроэнергии механический

Источник: стоковая фотография (защищена авторским правом)

Умный счетчик электроэнергии

Источник: стоковая фотография (защищена авторским правом)

Последнее обновление: 8 января 2020 г.

.

Электрический заряд — Простая английская Википедия, бесплатная энциклопедия

Электрический заряд — это основное свойство электронов, протонов и других субатомных частиц. Электроны заряжены отрицательно, а протоны — положительно. Вещи, заряженные отрицательно, и предметы, заряженные положительно, притягивают (притягивают) друг друга. Это заставляет электроны и протоны слипаться, образуя атомы. Вещи с одинаковым зарядом отталкивают друг друга ( отталкивают друг друга).Это называется Закон о сборах . Его открыл Шарль-Огюстен де Кулон. Закон, который описывает, насколько сильно заряды притягивают и толкают друг друга, называется законом Кулона. ^[1]

Вещи с одинаковым количеством электронов и протонов нейтральны . Вещи, в которых электронов больше, чем протонов, заряжены отрицательно, а предметы, в которых электронов меньше, чем протонов, заряжены положительно. Вещи с одинаковым зарядом отталкивают друг друга. Вещи с разными зарядами привлекают друг друга.Если возможно, тот, у которого слишком много электронов, даст достаточно электронов, чтобы соответствовать количеству протонов в том, у которого слишком много протонов для его нагрузки электронов. Если электронов достаточно, чтобы соответствовать дополнительным протонам, то эти две вещи больше не будут притягивать друг друга. Когда электроны перемещаются из места, где их слишком много, в место, где их слишком мало, это называется электрическим током.

Когда человек шаркает ногами по ковру, а затем касается латунной дверной ручки, он может получить удар электрическим током.Если есть достаточно дополнительных электронов, то силы, с которой эти электроны отталкивают друг друга, может быть достаточно, чтобы заставить некоторые электроны прыгнуть через зазор между человеком и дверной ручкой. Длина искры является мерой напряжения или «электрического давления». Количество электронов, которые перемещаются из одного места в другое за единицу времени, измеренное как сила тока или «скорость потока электронов».

Если человек получает положительный или отрицательный заряд, это может заставить его волосы встать дыбом, потому что заряды в каждом волосе отталкивают их от других.

Электрический заряд, ощущаемый при ударе дверной ручкой или другим предметом, обычно составляет от 25 до 30 тысяч вольт. Однако электрический ток протекает недолго, поэтому поток электронов через тело человека не причиняет физического вреда. С другой стороны, когда облака приобретают электрические заряды, они имеют еще более высокое напряжение, а сила тока (количество электронов, которые будут течь при ударе молнии) может быть очень высокой. Это означает, что электроны могут прыгать с облака на землю (или с земли на облако).Если эти электроны проходят через человека, поражение электрическим током может вызвать ожог или смерть.

Следующий эксперимент описан Джеймсом Клерком Максвеллом в его работе «Трактат об электричестве и магнетизме » (1873 г.). Обычно стекло и смола заряжены нейтрально. Однако, если их потереть друг о друга, а затем разделить, они смогут притягиваться друг к другу.

Если протереть второй кусок стекла вторым куском смолы, можно будет увидеть следующее:

1. Два куска стекла отталкиваются друг от друга.
2. Каждый кусок стекла притягивает каждый кусок смолы.
3. Два куска смолы отталкиваются друг от друга.

Если соединить заряженный и незаряженный предметы, притяжение будет очень слабым.

Тела, которые способны притягивать или отталкивать предметы таким образом, называются «наэлектризованными» или «заряженными электричеством». Когда два разных вещества трутся друг о друга, возникает электрический заряд, потому что одно из них отдает электроны другому.Причина в том, что атомы в двух веществах обладают неодинаковой способностью притягивать электроны. Таким образом, тот, кто более способен притягивать электроны, будет забирать электроны у того, у которого сила притяжения ниже. Если стекло трется о что-то еще, оно может отдавать или принимать электроны. Что произойдет, зависит от другого.

Вещи, которые забрали электроны, называются «отрицательно заряженными», а вещи, которые потеряли электроны, называются «положительно заряженными». Для этих имен нет особого смысла.Это просто произвольное (случайный выбор) соглашение (соглашение).

Помимо того, что тела наэлектризованы трением, тела могут быть наэлектризованы многими другими способами.

1. ↑ Перселл, Эдвард М. и Дэвид Дж. Морин 2013. Электричество и магнетизм . 3-е изд., Cambridge University Press. ISBN 978-1-107-01402-2

.

Какое обозначение соответствует электрическому заряду. Измерение электрического заряда

Одна из базовых физических величин, которая имеет непосредственное отношение к электричеству и в частности к электротехнике — это электрический заряд
. Мы привыкли к тому, что в электротехнике заряд измеряется в кулонах

, но мало кто знает, что есть и другие единицы измерения электрического заряда. При расчётах электрических схем, при использовании электроизмерительных приборов применяют международную систему единиц СИ. Но знаете ли вы, что есть и другие системы измерения?

Кулон

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

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

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

.

Определение электрического заряда в системе СИ следующее:

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

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

Франклин

Ещё одна единица и измерения заряда, которая названа в честь американского изобретателя и физика — Бенджамина Франклина. Его портрет можно увидеть на стодолларовой купюре США. Эта единица относится к системе величин СГСЭ, в которой базовыми являются такие единицы как сантиметр, грамм и секунда. По другому эту систему единиц называют абсолютной системой физических единиц и она широко использовалась до принятия системы СИ (принята в 1960 году).

Сокращённо единица измерения записывается как Фр

(русское) или Fr

(английское).

Определение электрического заряда в системе СГСЭ следующее:

Количество электрического заряда в один Франклин — это такое количество заряда, что два разноимённых заряда по одному франклину, находящихся в вакууме на расстоянии одного сантиметра, будут притягиваться друг к другу с силой в один дин.

Как видно из определения, оно отличается от того, что приведено для системы СИ. Разница прежде всего в том, что в системе СИ заряд выражается через силу тока и исходя из этого определяется, а в системе СГСЭ заряд выражен через .

Система СГСЭ удобна для вычислений и исследований в физике, а система СИ более удобна для практических нужд электротехники.

Закон Кулона, имеющий непосредственное отношение к зарядам, в системе СИ и СГС (СГСЭ), записываются по разному. Единицу заряда в 1 Кл

можно перевести в 1 Фр

и наоборот.

Существует также планковская система естественных единиц измерения и в ней также имеется электрический заряд. Эта система была впервые предложена немецким физиком Максом Планком
1899 году на основе скорости света и гравитационной постоянной и ещё двух введённых им констант.

Обозначается q p

. Основная единица измерения, которая определяется в терминах фундаментальных констант. Определяется следующим образом:

Все тела состоят из неделимых мельчайших частиц, называемых элементарными. Они имеют массу и способны притягиваться друг к другу. По закону всемирного тяготения, при увеличении расстояния между частицами относительно медленно убывает (она обратно пропорциональна квадрату расстояния). Сила взаимодействия частиц превосходит Это взаимодействие и называют «электрический заряд», а частицы — заряженными.

Взаимодействие частиц называют электромагнитным. Оно свойственно большинству элементарных частиц. Если же его между ними нет, то говорят об отсутствии заряда.

Электрический заряд определяет степень интенсивности Он является важнейшей характеристикой элементарных частиц, которая определяет их поведение. Обозначается буквами «q» либо «Q».

Макроскопического эталона единицы электрического заряда не существует, поскольку создать его не представляется возможным из-за его неизбежной утечки. В атомной физике за единицу принимают заряд электрона. В Международной системе единиц она устанавливается с помощью Заряд в 1 кулон (1 Кл) обозначает, что он проходит при силе тока в 1 А за 1 с через Это довольно высокий заряд. Небольшому телу сообщить его невозможно. Но в нейтральном проводнике привести в движение заряд в 1 Кл вполне реально.

Электрический заряд является скалярной физической величиной, которая характеризует способность частиц или тел вступать в электромагнитное силовое взаимодействие между собой.

При изучении взаимодействия важным является представление о точечном заряде. Он являет собой заряженное тело, размеры которого гораздо меньше расстояния от него до точки наблюдения или других заряженных частиц. При взаимодействии двух точечных зарядов расстояние между ними является гораздо большим, чем их линейные размеры.

Частицы обладают противоположными зарядами: протоны — положительным, электроны — отрицательным. Эти знаки (плюс и минус) отражают способность частиц притягиваться (при разных знаках) и отталкиваться (при одном). В природе положительные показатели и отрицательные скомпенсированы между собой.

Одинаков по модулю, независимо от того, положительный ли он, как у протона, или отрицательный, как у электрона. Минимальный заряд называется элементарным. Им обладают все заряженные частицы. Отделить часть заряда частицы невозможно. Минимальное значение определяется экспериментально.

Электрический заряд и его свойства можно измерять с помощью электрометра. Он состоит из вращающейся вокруг горизонтальной оси стрелки и металлического стержня. Если к стрежню прикоснуться положительно заряженной палочкой, то стрелка отклонится на определенный угол. Это объясняется распределением заряда по стрелке и стержню. Поворот стрелки обусловлен действием силы отталкивания. При увеличении заряда возрастает и угол отклонения от вертикали. То есть он показывает значение заряда, который передается стрежню электрометра.

Выделяют следующие свойства электрического заряда. Они могут быть положительными и отрицательными (выбор названий случаен), которые притягиваются и отталкиваются. Заряды способны передаваться при контакте от одних тел другим. Одно тело в разных условиях может обладать разными зарядами. Важным свойством является дискретность, что означает существование наименьшего, универсального заряда, которому кратны аналогичные показатели любых тел. Внутри замкнутой системы алгебраическая сумма всех зарядов остается постоянной. В природе заряды одного знака не возникают и не исчезают одновременно.

Признаком того, что тело имеет электри-ческий заряд
, является его взаимодействие с другими телами. Об этом шла речь в предшествующем параграфе. Но такое вза-имодействие в каждом отдельном случае по интенсивности может быть разным. Это дает основание утверждать, что свойство тела, называющееся электрическим зарядом, мо-жет иметь количественную меру.

Термин «электрический заряд»
часто употребляют и просто для обозначения «тела, имеющего электрический заряд».

Количественную меру электрического за-ряда сначала назвали количеством электри-чества
. Но со временем эта мера получила название просто электрического заряда
. Итак, если говорят о значении электрического заряда, то подразумевают количественную меру свойства тела — электрического заряда.

Электрический заряд

— это свойство тела, проявляющее-ся во взаимодействии с элект-ромагнитным полем. Электрический заряд
— это также ме-ра свойства тела, имеющего электрический заряд.

Значение заряда про-тяженного тела обозначается буквой Q.
Если же речь идет о заряде точечного тела, то он обозначается маленькой буквой q.

Для измерения электрического заряда ис-пользуют специальные приборы. Одним из таких приборов является электрометр
.

Главная часть электрометра — это метал-лический стержень, закрепленный в метал-лическом корпусе с помощью втулки из непроводящего вещества (рис. 4.4). В нижней части стержня находится легкая металли-ческая стрелка, которая может вращаться на горизонтальной оси. Ось стрелки прохо-дит несколько выше ее центра масс. Под действием только силы тяжести стрелка в обычном состоянии будет находиться в вер-тикальном положении. Материал с сайта

Если верхнего конца стержня коснуться заряженным металлическим шариком, то стержень и стрелка получат электрический заряд. Вследствие взаимодействия одноимен-но заряженных стержня и стрелки возникнет сила, которая повернет стрелку на опреде-ленный угол. Экспериментально установле-но, что угол отклонения стрелки будет за-висеть от значения заряда на стержне и стрелке. Таким образом, измерив угол от-клонения стрелки, можно сделать вывод о значении электрического заряда. Чтобы на стрелку не влияли другие тела, металли-ческий корпус обязательно соединяют с зем-лей.

В технике и научных исследованиях ис-пользуют более сложные и более чувстви-тельные приборы для измерения электри-ческих зарядов, которые называют кулон-метрами
(рис. 4.5). Это, как правило, элект-ронные приборы, принцип действия кото-рых основан на явлении изменения пара-метров некоторых элементов электронных систем при сообщении им электрического заряда.

Вопросы по этому материалу:

Электрический заряд

Электрический заряд – физическая
величина, характеризующая способность
тел вступать в электромагнитные
взаимодействия. Измеряется в Кулонах.

Элементарный электрический заряд
– минимальный заряд, который имеют
элементарные частицы (заряд протона и
электрона).

e =
Кл

Тело имеет заряд, значит имеет лишние
или недостающий электроны. Такой заряд
обозначается q = ne.
(он равен числу элементарных зарядов).

Наэлектризовать тело – создать
избыток и недостаток электронов. Способы:
электризация трением и электризация
соприкосновением.

Точечный заряд – заряд тела, которое
можно принять за материальную точку.

Пробный заряд ()
– точечный, малый по величине заряд,
обязательно положительный – используется
для исследования электрического поля.

Закон сохранения заряда: в
изолированной системе алгебраическая
сумма зарядов всех тел сохраняется
постоянной при любых взаимодействиях
этих тел между собой.

Закон Кулона: силы взаимодействия
двух точечных зарядов пропорциональны
произведению этих зарядов, обратно
пропорциональны квадрату расстояния
между ними, зависят от свойств среды и
направлены вдоль прямой, соединяющей
их центры.

,
где Ф/м,
Кл²/нм² – диэлектр. пост.
вакуума

— относит. диэлектрическая проницаемость
(>1)

— абсолютная диэлектрическая прониц.
среды

Электрическое поле – материальная
среда, через которую происходит
взаимодействие электрических зарядов.

Свойства электрического поля:

1. Электрическое поле существует вокруг
   любого заряда. Если заряд неподвижен
   – поле электростатическое.

2. Электрическое поле действует на любой
   помещённый в него заряд согласно закону
   Кулона. Обнаружить электрическое поле
   можно только по его действию на другие
   заряды.

3. Электрическое поле существует в любой
   среде и распространяется с конечной
   скоростью:
   м/с.

4. Электрическое поле не имеет чётких
   границ. Действие его уменьшается при
   увеличении расстояния от заряда, его
   создающего.

Характеристики электрического поля:

1. Напряжённость (E)
   – векторная величина, равная силе,
   действующей на единичный пробный заряд,
   помещённый в данную точку.

Измеряется в Н/Кл.

Направление – такое же, как и у
действующей силы.

Напряжённость не зависит ни от силы,
ни от величины пробного заряда.

Суперпозиция электрических полей:
напряжённость поля, созданного несколькими
зарядами, равна векторной сумме
напряжённостей полей каждого заряда:

Графически электронное поле
изображают с помощью линий напряжённости.

Линия напряжённости – линия,
касательная к которой в каждой точке
совпадает с направлением вектора
напряжённости.

Свойства линий напряжённости: они
не пересекаются, через каждую точку
можно провести лишь одну линию; они не
замкнуты, выходят из положительного
заряда и входят в отрицательный, либо
рассеиваются в бесконечность.

Виды полей:

• Однородное электрическое поле –
  поле, вектор напряжённости которого в
  каждой точке одинаков по модулю и
  направлению.

+ —

+ —

+ —

+ —

• Неоднородное электрическое поле
  – поле, вектор напряжённости которого
  в каждой точке неодинаков по модулю и
  направлению.

• Постоянное электрическое поле –
  вектор напряжённости не изменяется.

• Непостоянное электрическое поле
  – вектор напряжённости изменяется.

2. Работа электрического поля по
   перемещению заряда.

,
где F – сила, S
– перемещение,

— угол между F и S.

Для однородного поля: сила постоянна.

Работа не зависит от формы траектории;
работа по перемещению по замкнутой
траектории равна нулю.

Для неоднородного поля:

3. Потенциал электрического поля –
   отношение работы, которое совершает
   поле, перемещая пробный электрический
   заряд в бесконечность, к величине этого
   заряда.

— потенциал – энергетическая
характеристика поля. Измеряется в
Вольтах

Разность потенциалов:

Если
,
то

,
значит

— градиент потенциала.

Для однородного поля: разность потенциалов
– напряжение:

.
Измеряется в Вольтах, приборы –
вольтметры.

Электроёмкость – способность тел
накапливать электрический заряд;
отношение заряда к потенциалу, которое
для данного проводника всегда постоянно.

.

Не зависит от заряда и не зависит от
потенциала. Но зависит от размеров и
формы проводника; от диэлектрических
свойств среды.

, где r – размер,

— проницаемость среды вокруг тела.

Электроёмкость увеличивается, если
рядом находятся любые тела – проводники
или диэлектрики.

Конденсатор – устройство для
накопления заряда. Электроёмкость:

Плоский конденсатор – две металлические
пластины, между которыми находится
диэлектрик. Электроёмкость плоского
конденсатора:

,
где S – площадь пластин,
d – расстояние между
пластинами.

Энергия заряженного конденсатора
равна работе, которую совершает
электрическое поле при переносе заряда
с одной пластины на другую.

Перенос малого заряда
,
напряжение измениться на
,
совершится работа
.
Так как
,
а С = const,
.
Тогда
.
Интегрируем:

Энергия электрического поля:
,
где V=Sl –
объём, занимаемый электрическим полем

Для неоднородного поля:
.

Объёмная плотность электрического
поля:
.
Измеряется в Дж/м³.

Электрический диполь – система,
состоящая из двух равных, но противоположных
по знаку точечных электрических зарядов,
расположенных на некотором расстоянии
друг от друга (плечо диполя — l).

Основная характеристика диполя –
дипольный момент – вектор, равный
произведению заряда на плечо диполя,
направленный от отрицательного заряда
к положительному. Обозначается
.
Измеряется в Кулон-метрах.

Диполь в однородном электрическом
поле.

На каждый из зарядов диполя действуют
силы:

и
.
Эти силы противоположно направлены и
создают момент пары сил – вращающий
момент:
,
где

М – вращающий момент F –
силы, действующие на диполь

d – плечо сил l
– плечо диполя

p – дипольный момент E
– напряжённость

— угол между p и Е q
– заряд

Под действием вращающего момента,
диполь повернётся и установится по
направлению линий напряжённости. Векторы
p и Е будут параллельны и
однонаправлены.

Диполь в неоднородном электрическом
поле.

Вращающий момент есть, значит диполь
повернётся. Но силы будут неравны, и
диполь будет двигаться туда, где сила
больше.

—
градиент напряжённости. Чем выше
градиент напряжённости, тем выше боковая
сила, которая стаскивает диполь. Диполь
ориентируется вдоль силовых линий.

Собственное поле диполя.

Но
.
Тогда:

.

Пусть диполь находится в точке О, а его
плечо мало. Тогда:

.

Формула получена с учётом:

Таким образом разность потенциалов
зависит от синуса половинного угла, под
которым видны точки диполя, и проекции
дипольного момента на прямую, соединяющие
эти точки.

Диэлектрики в электрическом поле.

Диэлектрик – вещество, не имеющее
свободных зарядов, а значит и не проводящее
электрический ток. Однако на самом же
деле проводимость существует, но она
ничтожно мала.

Классы диэлектриков:

• с полярными молекулами (вода, нитробензол):
  молекулы не симметричны, центры масс
  положительных и отрицательных зарядов
  не совпадают, а значит, они обладают
  дипольным моментом даже в случае, когда
  электрического поля нет.

• с неполярными молекулами (водород,
  кислород): молекулы симметричны, центры
  масс положительных и отрицательных
  зарядов совпадают, а значит, они не
  имеют дипольного момента при отсутствии
  электрического поля.

• кристаллические (хлорид натрия):
  совокупность двух подрешёток, одна из
  которых заряжен положительно, а другая
  – отрицательно; в отсутствии электрического
  поля суммарный дипольный момент равен
  нулю.

Поляризация – процесс пространственного
разделения зарядов, появления связанных
зарядов на поверхности диэлектрика,
что приводит к ослаблению поля внутри
диэлектрика.

Способы поляризации:

1 способ – электрохимическая поляризация:

На электродах – движение к ним катионов
и анионов, нейтрализация веществ;
образуются области положительных и
отрицательных зарядов. Ток постепенно
уменьшается. Скорость установления
механизма нейтрализации характеризуется
временем релаксации – это время, в
течение которого ЭДС поляризации
увеличится от 0 до максимума от момента
наложения поля.

= 10^-3-10^-2 с.

2 способ – ориентационная поляризация:

На поверхности диэлектрика образуются
некомпенсированные полярные, т.е.
происходит явление поляризации.
Напряжённость внутри диэлектрика меньше
внешней напряжённости. Время релаксации:

= 10^-13-10^-7 с. Частота 10 МГц.

3 способ – электронная поляризация:

Характерна для неполярных молекул,
которые становятся диполями. Время
релаксации:
=
10^-16-10^-14 с. Частота 10⁸
МГц.

4 способ – ионная поляризация:

Две решётки (Na и Cl)
смещаются относительно друг друга.

Время релаксации:
=10^-8-10^-3с.
Частота 1 КГц

5 способ – микроструктурная поляризация:

Характерен для биологических структур,
когда чередуются заряженные и незаряженные
слои. Происходит перераспределение
ионов на полупроницаемых или непроницаемых
для ионов перегородках.

Время релаксации:
=10^-8-10^-3с.
Частота 1 КГц

Числовые характеристики степени
поляризации:

1. вектор поляризованности
   .
   Измеряется в Кл/л

2. относительная диэлектрическая
   проницаемость

   раз

3. Дисперсия – зависимость от частоты.

Электрический ток – это упорядоченное
движение свободных зарядов в веществе
или в вакууме.

Условия существования электрического
тока:

1. наличие свободных зарядов

2. наличие электрического поля, т.е. сил,
   действующих на эти заряды

Сила тока – величина, равная заряду,
который проходит через любое поперечное
сечение проводника за единицу времени
(1 секунду)

Измеряется в Амперах.

n – концентрация зарядов

q – величина заряда

S – площадь поперечного
сечения проводника

— скорость направленного движения
частиц.

Скорость движения заряженных частиц в
электрическом поле небольшая – 7*10^-5
м/с, скорость распространения электрического
поля 3*10⁸ м/с.

Плотность тока – величина заряда,
проходящего за 1 секунду через сечение
в 1 м².

.
Измеряется в А/м².

— сила, действующая на ион со стороны эл
поля равна силе трения

— подвижность ионов

— скорость направленного движения ионов
=подвижность, напряжённость поля

Удельная проводимость электролита тем
больше, чем больше концентрация ионов,
их заряд и подвижность. При повышении
температуры возрастает подвижность
ионов и увеличивается электропроводность.

Персональный сайт — электрический заряд | электрический ток

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЗАРЯД И ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК

Электрический заряд

Все тела способны электризоваться, т.е. приобретать электрический заряд. В природе существует два типа электрических зарядов: положительные и отрицательные. Одноименные заряды отталкиваются, разноименные заряды притягиваются.

            Носителями зарядов являются элементарные частицы. Заряд почти всех частиц одинаков по абсолютной величине и представляет собой наименьший встречающийся в природе электрический заряд, называемый элементарным зарядом. Положительный элементарный заряд обозначается +е,отрицательный –е. Экспериментально найдено, что е=1,6021892*10^-19Кл.

            В частности элементарными частицами являются электрон (-е), протон (+е) и нейтрон (заряд равен нулю). Из этих частиц построены атомы любого вещества, поэтому электрические заряды входят в состав всех тел.Обычно электроны и протоны имеются в равных количествах и распределены в теле с одинаковой плотностью. В этом случае алгебраическая сумма зарядов в любом элелментарном объеме тела равна равна нулю, вследствие чего тело оказывается нейтральным. Если создать переизбыток в теле частиц какого-либо знака, тело окажется заряженным. Можно производить и перераспределение частиц поднеся к одной части тела другое заряженное тело.

           Всякий заряд q образуется совокупностью элементарных зарядов, поэтому он является целым кратным е:

q=+Ne.

            Электрические заряды могут возникать и исчезать. Однако возникают или исчезают одновременно два элементарных заряда разных знаков. Например электрон и позитрон (положительный электрон) при всирече аннигилируют, т.е. превращаются в нейтральные частицы, называемые гамма-фотонами. При этом исчезают заряды –е  и +е. В ходе процесса называемого рождением пары, гамма-фотон, пролетая вблизт атомного ялра, превращается в пару частиц – електрон и позитрон. В результате возникают заряды –е и +е.

            Таким образом, существует закон сохранения электрического заряда, который утверждает, что суммарный заряд электрически изолированной системы не может изменяться.

            Электрическим током называется упорядоченное движение электрических зарядов. Носителями тока могут быть электроны, а также положительные и отрицательные ионы, т.е. атомы или молекулы, потерявшие либо присоединившие к себе один или несколько электронов.

            Заряд, перносимый через некоторую воображаемую поверхность (например, через поперечное сечение проводника) в еденицу времени, называется силой тока.

            I=dq/dt.

Заряд измеряется в кулонах; один кулон в секунду равен одному амперу.

Направлением тока далее будем считать направление, в котором двигались бы положительные заряды. На самом деле ток в большинстве случаев создается движением электронов, которые, будучи заряжены отрицательно, движутся в направлении, противоположном принятому за направление тока. Ток неизменяющейся силы обозначается через I, а мгновенное значение изменяющегося тока – через i.

Ток не изменяющийся со времнем называется постоянным. Переменные токи – это токи, направление которых периодически изменяется. Число периодов циклического изменения тока в секунду называется частотой переменного тока и измеряется в герцах (Гц). Электроэнергия обычно подается потребителю в виде переменного тока с частотой 50 Гц (в России и в европейских странах) или 60 Гц (в США).

ДВИЖЕНИЕ ПОСТОЯННОГО ТОКА В ПРОВОДЕ

Представте вы в кинотеатре. Экран это минус а киноаппаратная плюс, в первом ряду пустое место это электрон, позади сидящие люди электрический ток, так вот, если зрирель со второго ряда пересядит на свободный первый, а далее с третьего на второй и с четвёртого в третий и так далее, то движущиеся (пересаживающиеся люди) это ток, а свободное место это движение электрона. Ток течёт от плюса к минусу, а электроны наоборот от минуса к плюсу.

Потенциал. Если для перемещения заряда между двумя точками необходимо затратить энергию или если при перемещении заряда между двумя точками заряд приобретает энергию, то говорят, что в этих точках имеется разность потенциалов. Энергия необходима для перемещения заряда от более низкого потенциала к более высокому. На схемах рядом с точкой более высокого потенциала ставится знак +, а рядом с точкой более низкого – знак -.

Батарея или генератор электрического тока – это устройство, которое сообщает энергию зарядам. Источник тока перемещает положительные заряды от меньшего потенциала к большему за счет химической энергии. Неизменяющаяся разность потенциалов обозначается через V, а мгновенное значение изменяющейся разности потенциалов – через e.

Разность потенциалов на зажимах батареи или генератора называется электродвижущей силой (ЭДС) и обозначается через E_g, если она не изменяется, и через e_g, если она переменна. Разность потенциалов в двух точках a и b обозначается через V_ab. Разность потенциалов и ЭДС измеряются в вольтах.

Диэлектрики. Свойство материалов максимально не проводить электрический ток (какой либо изолятор). Идеальный диэлектрик – это материал, внутренние электрические заряды которого связаны настолько прочно, что он не способен проводить электрический ток. Поэтому он может служить хорошим изолятором. Хотя идеальных диэлектриков в природе не существует, проводимость многих изоляционных материалов при комнатной температуре не превышает 10^–23 проводимости меди; во многих случаях такую проводимость можно считать равной нулю.

Проводники. Свойство материалов максимально проводить электрический ток (какой либо провод или рельс на железной дороге).  Кристаллическая структура и распределение электронов в твердых проводниках и диэлектриках сходны между собой. Основное различие заключается в том, что в диэлектрике все электроны прочно связаны с соответствующими ядрами, тогда как в проводнике имеются электроны, находящиеся во внешней оболочке атомов, которые могут свободно перемещаться по кристаллу. Такие электроны называют свободными электронами или электронами проводимости, поскольку они являются переносчиками электрического заряда. Число электронов проводимости, приходящихся на один атом металла, зависит от электронной структуры атомов и степени возмущения внешних электронных оболочек атома его соседями по кристаллической решетке. У элементов первой группы периодической системы элементов (лития, натрия, калия, меди, рубидия, серебра, цезия и золота) внутренние электронные оболочки заполнены целиком, а во внешней оболочке имеется один-единственный электрон. Эксперимент подтвердил, что у этих металлов приходящееся на один атом число электронов проводимости приблизительно равно единице. Однако для большинства металлов других групп характерны в среднем дробные значения числа электронов проводимости в расчете на один атом. Например, у переходных элементов – никеля, кобальта, палладия, рения и большинства их сплавов – число электронов проводимости на один атом равно примерно 0,6. Число носителей тока в полупроводниках гораздо меньше. Например, в германии при комнатной температуре оно порядка 10^–9. Чрезвычайно малое число носителей в полупроводниках приводит к возникновению у них множества интересных свойств.

Тепловые колебания кристаллической решетки в металле поддерживают постоянное движение электронов проводимости, скорость которых при комнатной температуре достигает 10⁶ м/с. Поскольку это движение хаотично, оно не приводит к возникновению электрического тока. При наложении же электрического поля появляется небольшой общий дрейф. Этот дрейф свободных электронов в проводнике и представляет собой электрический ток. Поскольку электроны заряжены отрицательно, направление тока противоположно направлению их дрейфа.

Разность потенциалов. Для описания свойств конденсатора необходимо ввести понятие разности потенциалов. Если на одной обкладке конденсатора имеется положительный заряд, а на другой – отрицательный заряд той же величины, то для переноса дополнительной порции положительного заряда с отрицательной обкладки на положительную необходимо совершить работу против сил притяжения со стороны отрицательных зарядов и отталкивания положительных. Разность потенциалов между обкладками определяется как отношение работы по переносу пробного заряда к величине этого заряда; при этом предполагается, что пробный заряд значительно меньше заряда, находившегося первоначально на каждой из обкладок. Несколько видоизменив формулировку, можно дать определение разности потенциалов между любыми двумя точками, которые могут находиться где угодно: на проводе с током, на разных обкладках конденсатора либо просто в пространстве. Это определение таково: разность потенциалов между двумя точками пространства равна отношению работы, затрачиваемой на перемещение пробного заряда из точки с более низким потенциалом в точку с более высоким потенциалом, к величине пробного заряда. Снова предполагается, что пробный заряд достаточно мал и не нарушает распределения зарядов, создающих измеряемую разность потенциалов. Разность потенциалов V измеряется в вольтах (В) при условии, что работа W выражена в джоулях (Дж), а пробный заряд q – в кулонах (Кл).

Емкость. Емкость конденсатора равна отношению абсолютной величины заряда на любой из

двух его обкладок (напомним, что их заряды различаются только знаком) к разности потенциалов между обкладками:

С=Q/V

            Емкость C измеряется в фарадах (Ф), если заряд Q выражен в кулонах (Кл), а разность потенциалов – в вольтах (В). Две только что упомянутые единицы измерения, вольт и фарада, названы так в честь ученых А.Вольты и М.Фарадея.

Фарада оказалась настолько крупной единицей, что емкость большинства конденсаторов выражают в микрофарадах (10^–6 Ф) или пикофарадах (10^–12 Ф).

Измерение заряда | Keysight

1. Измерение электрического заряда

Измерение количества электрического заряда является основным измерением, хотя оно не широко используется в качестве измерения напряжения, тока и т. Д. Оно часто используется в том случае, если включено измерение других параметров путем измерения количества электрического заряда.

1.1 Измерение электрического заряда

Счетчики, называемые кулонами и усилители заряда, продаются как приборы для измерения электрического заряда.Счетчики с функцией измерения минутного электрического тока и электрического заряда часто называют электрометром.

Примеры единиц измерения количества электрического заряда: электростатический разряд, порошок и т. Д.

ESD является причиной отказа электронных частей и, следовательно, измеряется для оценки количества электрического заряда электрического разряда.

Клетка Фарадея и кулоновский измеритель часто используются при измерении электростатического заряда порошка.(См. Рис.-1). Обычно в клетку Фарадея добавляют электростатически заряженный порошок и измеряют приходящий в это время электрический заряд с помощью кулоновского измерителя или электрометра. Измерение совокупности этих электрических зарядов является основным, и временные колебания не рассматриваются как проблема.

Мы также можем получить напряжение (величину изменения), измерив количество электрического заряда. Если измерить количество электрического заряда, который входит через уже известную емкость, мы можем узнать амплитуду изменения напряжения измеряемой емкости.Такой принцип также используется при бесконтактном измерении напряжения.

Усилитель заряда широко используется при оценке ускорения, давления, вибрации и т. Д. С помощью датчика выходного типа электрического заряда. Обычно выходной сигнал напряжения (аналоговый) отличается от входа электрического заряда, а выходной сигнал измеряется и анализируется с помощью различных измерительных устройств. Часто наблюдается изменение во времени цели измерения, и, следовательно, она имеет постоянные выходные характеристики в необходимом диапазоне частот.

1.2 Методика измерения электрического заряда

Наиболее распространенный метод измерения количества электрического заряда — накопление электрического заряда в уже известном конденсаторе и определение количества электрического заряда путем оценки разности потенциалов на обоих концах. Напряжение V (вольт), действующее на емкость, становится Q = CV, и, следовательно, когда есть электрический заряд Q (кулоновский) в емкости C (Фарад), количество электрического заряда из разности потенциалов и значение емкости может быть полученный из этого выражения.
При использовании конденсатора существует интегральный тип, который использует усилитель, и шунтирующий тип, который измеряет напряжение на обоих концах, просто выливая электрический заряд, измеренный конденсатором. На рис. 2 и 3 показаны соответствующие блок-схемы.

Важно, чтобы входное сопротивление усилителя интегрального типа и вольтметра шунтирующего типа было высоким, а ток, протекающий на вход, был достаточно мал, чтобы предотвратить потерю электрического заряда конденсатора.

В принципе, это хорошо, но на практике существуют ограничения, такие как измерение и пороговое значение для напряжения, приложенного к конденсатору, который накапливает электрический заряд, и, следовательно, невозможно продолжать заряжать измеренный электрический заряд бесконечно, и необходимо разрядить. В общем, предусмотрена функция (предположим, что она называется сбросом), которая заставляет напряжение воздействовать на конденсатор путем разряда до заданного состояния (обычно 0 В), и серия измерений выполняется после выполнения сброса.В этом случае мы можем производить измерение непрерывно, пока измеренное количество электрического заряда не достигнет установленного значения, но когда оно достигнет, необходимо выполнить сброс. Обычно измерения во время операции сброса невозможны, и, следовательно, полное последовательное измерение не может быть выполнено без ограничения по времени.

Количество электрического заряда также можно получить интегрированием тока по времени, как описано в предыдущем абзаце. В этом случае в принципе нет ограничений на принцип измерения тока.Многие амперметры используют принцип прохождения электрического тока при сопротивлении и измерения. Количество электрического заряда может быть измерено таким амперметром с датчиком сопротивления и измерением времени. В таком случае нет необходимости в сбросе, и, следовательно, это подходит при проведении непрерывных измерений в течение длительного периода времени, и когда временные колебания количества электрического заряда невелики.

2. Счетчик электроэнергии интегральный

В этой главе описывается часто используемый счетчик электрического заряда интегрального типа.

2.1 Принцип измерения

Блок-схема Рис.-2 поясняет принцип измерения интегральной величины счетчика заряда.

Переключатель SW остается разомкнутым во время измерения. Выходное напряжение Vo усилителя не изменяется, если в состоянии измерения нет втекающего и исходящего электрического заряда.
В Cs нет электрического заряда, когда начинается простое измерение, и Vo принимается равным 0. Напряжение V = Q / Cs действует на емкость, когда электрический заряд Q течет, и электрический заряд накапливается в емкости Cs.Следовательно, выходное напряжение усилителя становится Vo_1 = -Q / Cs. Количество электрического заряда рассчитывается исходя из этого выходного напряжения как Qmeasure = -Vo_1 * Cs. На рис. 4 показана форма выходного сигнала усилителя.

Чаще учитывается разницей в начале и в конце измерения. Выход усилителя в момент t0 в начале измерения принимается равным Vo (t0), а выходной сигнал усилителя в момент t1 в конце измерения принимается как Vo (t1). Изменение разности потенциалов, действующей на Cs, равно Vo (t1) — Vo (t0), и, следовательно, количество электрического заряда Qm, протекающего в течение периода измерения, может быть получено как Qm = -Cs (Vo (t1) -Vo (t0 )).

Когда Vo находится в пределах рабочего диапазона усилителя или АЦП, возможно непрерывное измерение. После начала измерения в t0, Vo измеряется в t1, t2, t3…, и может быть получено количество электрического заряда между каждым моментом времени.

После завершения серии измерений и перед выполнением следующего измерения накопленный электрический заряд в Cs разряжается путем замыкания переключателя SW и возвращается в исходное состояние.
Во-первых, преимущество этого метода заключается в низком падении входного напряжения.Обычно уровень напряжения смещения используемого усилителя (обычно это операционный усилитель) составляет менее нескольких мВ, и колебания во время измерения также чрезвычайно малы.

Количество протекающего электрического заряда может быть точно измерено даже при наличии емкости, такой как кабели, во входной части, потому что эквивалентное входное сопротивление низкое. Он также устойчив к утечкам из-за падения напряжения на входе.

Напряжение, действующее на аккумулирующую емкость Cs, может быть достаточно увеличено, и, следовательно, легко выполнить устойчивое измерение с высоким разрешением.

2.2 Факторы погрешности и шума

В этой главе объясняется допустимая погрешность измерителя электрического заряда и коэффициент шума.
На рис.-5 показан элемент шума, записанный в блок-схеме при измерении электрического заряда, накопленного в емкости CI в качестве DUT.

Здесь
Cl: емкость DUT
Cg: емкость между Hi и Lo
Обычно емкость соединительного кабеля является основной.
Cs: Конденсатор для sense

Каждый элемент допустимой погрешности и шума показан ниже.

a) Характеристики Cs
Зависимость от приложенного напряжения и характеристика диэлектрической абсорбции конденсатора влияют на изменение из-за погрешности и времени измерения величины электрического заряда, и, следовательно, это важно. Части с достаточно хорошими характеристиками выбираются и используются в измерительном устройстве в соответствии со спецификацией.

b) In1: токовый шум и ток смещения входной части.
Входной ток смещения усилителя и токовый шум в основном составляют основную часть.Ток утечки, удерживаемый переключателем SW для электрического разряда, и ток утечки соединительных кабелей и т. Д. Также являются токовыми шумами.
Ток смещения (Ib) напрямую складывается во время измерения и становится пределом погрешности для Qe = Ib * (t1-t0). Важно, чтобы ток смещения, включая выбор усилителя, был меньше при измерении небольшого количества электрического заряда. Когда время измерения велико, этот предел погрешности увеличивается, и, следовательно, становится невыгодным проводить измерения дольше необходимого.

Текущий шум (AC) отображается как изменение результата измерения, и аналогичным образом установка подходящего времени измерения важна, поскольку длительное время измерения становится невыгодным.

c) Vn1: приведенный к входу шум напряжения усилителя
Из-за этого шума шум Vn1 * (Cs + Cg + Cl) / Cs отображается в Vo. При рассмотрении влияния этого шума предпочтительно, чтобы Cg и Cl были небольшими. Cl — это цель измерения и, следовательно, не может быть изменена, но Cg — это соединительный кабель и т. Д.и с ними можно справиться. При сравнении Cs и Cl, и если Cg невелик, можно сказать, что он не является основной частью этого шума, и, следовательно, он становится грубым стандартом при рассмотрении размера Cg.

2.3 Применение для других целей

В этой главе давайте рассмотрим использование измерителя электрического заряда в других измерениях.

a) Амперметр
Ток можно рассчитать, если известно количество электрического заряда и время, в которое он был измерен, и его можно использовать в качестве амперметра, как упоминалось ранее.
При рассмотрении разрешающей способности количества электрического заряда, которое можно измерить, можно измерить до малой точки как текущее разрешение. Необходимо делать электрический разряд, и в целом он предназначен для измерения меньшего тока.

На рис.-6 показана блок-схема обычного амперметра. Система сходимости при изменении тока определяется постоянной времени Rs и Cs, и эта постоянная времени становится большой в цепи для измерения малого тока.

Это нормально, что счетчик электрического заряда, показанный на рис. 2, стал быстрым. Становится выгодным, если изменение тока видно при измерении небольшой области тока, а при измерении тока — с большим изменением.

В измерителе электрического заряда определяется максимальное количество электрического заряда и разрешение, которое может быть измерено за один раз, и, следовательно, если время измерения изменяется, то диапазон тока и разрешение, которое может быть измерено, изменятся.

б) Измерение емкости
Мы также можем выполнить измерение емкости, комбинируя его с источником напряжения, который может подавать ступенчатое напряжение. Рис. 6 показывает это соединение. Это тот случай, когда объект измерения не заземлен.

Измерение до и после приложения ступенчатого напряжения Vstep выполнено, и значения приняты как Qm1 и Qm2. Количество электрического заряда, протекающего из-за приложенного напряжения, становится Qm2 — Qm1. Его можно рассчитать как Cdut = (Qm2 — Qm1) / Vstep.
При просмотре формулы для расчета емкости становится ясно, что точность и шум источника напряжения, который прикладывает ступенчатое напряжение, напрямую влияют на точность и шум результата измерения.

Когда измеритель электрического заряда является плавающим, можно также измерить емкость конденсатора, заземленного с одной стороны.
Непрерывное измерение тока утечки и емкости конденсатора, подключенного, как показано на Рис.-7, может быть выполнено с использованием описанного здесь метода измерения тока и измерения емкости.

2.4 Счетчик электрического заряда Б2985А / 87А

В этой главе дается простое введение в функцию измерения количества электрического заряда электрометра / измерителя высокого сопротивления B2985A / 87A.
Минимальный диапазон составляет 2 нКл (разрешение 1 фКл), а максимальный диапазон — 2 мкКл.

Используется интегральный тип. Он имеет следующие функции и особенности.

Когда количество электрического заряда достигает заданного уровня, у него есть функция (функция автоматического электрического разряда) для разряда (сброса), так что количество электрического заряда не достигает максимального диапазона.В результате его можно сохранить в состоянии начать измерение в любое время.

Обычно падение входного напряжения интегрального типа очень мало, и значение меньше или равно 20 мкВ. Его можно отрегулировать во время самокалибровки.

При рассмотрении случая использования его в качестве амперметра, упомянутого выше, если предполагается время измерения 100 мс в диапазоне 2 нКл, то максимальный ток составляет 20 нА, а разрешение — 10 фА. Он может измерять эквивалентный минутный ток.

3. Измерение

В этой главе описаны моменты, которые следует учитывать во время измерения, чтобы получить меньшую погрешность и стабильный результат.

3.1 Примечания к измерению

Моменты, на которые следует обратить внимание при измерении небольшого количества электрического заряда, являются общими при измерении минутного электрического тока. Рекомендуется обратиться к параграфу «Подключение тестируемого устройства» в разделе «Измерение тока низкого уровня с использованием серии B2980A» портала знаний об измерениях высокой чувствительности.

a) Внешний шум
Электрический шум, который попадает в измерительную систему извне, часто проникает через емкостную связь.

Шумовой электрический заряд возникает, если существует емкостная связь между элементами, вызывающая появление линии электропередачи и различные изменения напряжения. Всегда нужно учитывать, что везде разводка питания.

Когда емкость между электрифицированными предметами меняется, это все равно становится шумом. Люди также обычно наэлектризованы, и, следовательно, это влияет на работу в месте, видимом из проводки для измерения.

В качестве реакции важно уменьшить емкостную связь между элементами, которые становятся источником шума, и экранирование становится основным.

Если цикл установлен как линия электропередачи, то шум можно уменьшить путем измерения с интервалами, кратными циклу.

При длительном цикле шума эффективно максимально сократить время измерения.

б) Кабель / механический шум
Когда на кабель воздействует вибрация, трение проводника и изолятора вызывает электризацию, которая становится шумовым электрическим зарядом.Некоторые предметы вызывают электрический заряд из-за пьезоэффекта при приложении давления, но он по-прежнему вызывает шум.

Его можно уменьшить, избегая вибрации и чрезмерного давления. Обычный кабель может легко стать проблемой, и поэтому он закреплен так, что становится трудно вызвать вибрацию. Однако следует избегать очень прочной фиксации и чрезмерного изгиба.

Коаксиальный и трехосный кабель с мерами по снижению шума тока (электрического заряда) при вибрации называется малошумящим кабелем.Конкретно, на поверхности изолятора контактных частей экранирующей линии и изолятора часто предусмотрен проводящий слой, который может легко вызвать электрический заряд трения. Использование такого кабеля может значительно снизить уровень шума кабеля.

Если кабель вибрирует, то вибрация передается на части, подключенные к кабелю, такие как соединитель, и становится источником шума, и, следовательно, меры по вибрации, такие как фиксация, важны даже при использовании кабеля с низким уровнем шума.

c) Ток утечки
Ток смещения присутствует даже в самом измерителе электрического заряда, и ток утечки каждой части соединения до DUT и ток из-за электрохимической реакции протекает, и электрический заряд может быть измеренным, даже если электрический заряд от DUT отсутствует.

Необходимо соблюдать осторожность, потому что влияние часто становится большим из-за грязи, температуры и влажности вокруг сигнального провода.Эффективно выполнять дифференциальный метод измерения. Условия измерения, такие как время измерения и т. Д., Остаются такими же; измерение выполняется без DUT и вычитается из результата фактического измерения. Предварительным условием этого метода является небольшое изменение тока утечки, которое становится пределом погрешности.

Если время измерения увеличивается, то, естественно, количество электрического заряда, измеряемого током утечки, становится большим. Следовательно, длительное время измерения становится невыгодным, если учитывать допустимую погрешность по току утечки.В случае измерения минутного тока, если усреднение (интегрирование) выполняется в течение определенного периода времени, тогда это становится выгодным с точки зрения шума, и, следовательно, это часто рекомендуется, но измерение количества электрического заряда отличается. Если требуется длительное время измерения, погрешность и шум в основном увеличиваются, и, следовательно, следует проявлять осторожность, чтобы время измерения не было слишком большим для необходимого времени, такого как время расхождения и т. Д.

Заключение

От основных точек измерения количества электрического заряда до точек, которые необходимо отметить во время фактического измерения.

В основном записываются точки, относящиеся к небольшому количеству электрического заряда, и есть много общих точек, которые следует отметить в случае минутного измерения тока.

Здесь примеры измерений не приводились, но приведенные здесь вопросы должны применяться в реальных измерениях, и должно быть получено устойчивое измерение с очень малой погрешностью.

Электрический заряд (Q)

Что такое электрический заряд?

Электрический заряд генерирует
электрическое поле.Электрический заряд влияет на другие
электрические заряды с электрической силой и под влиянием другого
заряжается с той же силой в противоположном направлении.

Есть 2 вида электрического заряда:

Положительный заряд (+)

Положительный заряд имеет больше протонов, чем электронов (Np> Ne).

Положительный заряд обозначается знаком плюс (+).

Положительный заряд притягивает другие отрицательные заряды и
отталкивает другие положительные заряды.

Положительный заряд притягивается другим отрицательным
заряды и отражаются другими положительными зарядами.

Отрицательный заряд (-)

Отрицательный заряд содержит больше электронов, чем протонов (Ne> Np).

Отрицательный заряд обозначается знаком минус (-).

Отрицательный заряд притягивает другие положительные заряды и отталкивает
другие отрицательные заряды.

Отрицательный заряд притягивается другим положительным
заряды и отталкиваются другими отрицательными зарядами.

Направление электрической силы (F) в зависимости от типа заряда

Заряд элементарных частиц

Кулоновский блок

Электрический заряд измеряется в кулонах [Кл].

Один кулон имеет заряд 6,242 × 10 ¹⁸
электроны:

1C = 6,242 × 10 ¹⁸ e

Электрический заряд
расчет

Когда электрический ток течет в течение определенного времени, мы можем
рассчитать сбор:

Постоянный ток

Q = I ⋅ т

Q — электрический заряд, измеренный в
кулоны [C].

I — ток, измеренный в амперах.
[А].

t — период времени, измеряемый в
секунды [с].

Кратковременный ток

Q — электрический заряд, измеренный в
кулоны [C].

i ( t ) — мгновенный ток,
измеряется в амперах [A].

t — период времени, измеряемый в
секунды [с].

См. Также

Разница между зарядом и током (со сравнительной таблицей)

Наиболее существенная разница между зарядом и текущим состоит в том, что заряд является физическим свойством материи , тогда как текущий — это скорость потока обвиняет .Некоторые другие различия между зарядом и током поясняются ниже в табличной форме.

Электрический заряд — это физическое свойство вещества, которое испытывает силу при помещении в электрическое поле. Он бывает трех типов: положительный, отрицательный и нейтральный. Когда эти заряды (обычно электроны) движутся в определенном направлении, они генерируют ток. И этот ток используется для освещения и механических работ.

Содержимое: заряд против тока

1. Сравнительная таблица
2. Определение
3. Ключевые отличия
4. Заключение

Сравнительная таблица

Определение заряда

Заряд — это фундаментальное свойство частиц (иона, атома и молекулы), которое позволяет им притягиваться и отталкиваться друг от друга, когда они находятся в электрическом поле.Заряд частиц бывает трех типов: положительный, отрицательный и нейтральный. Частица с положительным зарядом известна как протон, а частица с отрицательным зарядом известна как электрон. Частица, имеющая равное количество отрицательных и положительных зарядов, известна как нейтроны.

Заряд измеряется в кулонах. Один протон имеет 1,602X10 ^-19 кулонов зарядов, а один электрон равен -1,602X10 ^-19 кулонов. Заряженная частица испытывает силы, когда ее помещают в электромагнитное поле.Частицы с одноименным зарядом отталкиваются друг от друга, а частицы с противоположным зарядом притягиваются друг к другу.

Определение тока

Поток электронов известен как ток. Это физическая величина, которая измеряется и выражается математически. Проводящий материал имеет большое количество свободных электронов. Когда к свободному электрону прикладывается напряжение или ЭДС, он начинает двигаться и индуцирует ток.

Электрический ток бывает двух типов: переменный и постоянный.В переменном токе заряды движутся в обоих направлениях. А в постоянном токе он перемещается только в одном направлении.

Ключевые различия между зарядом и током

Ниже приведены основные различия заряда и тока.

1. Заряд — это свойство материи, из-за которого вещество испытывает силу притяжения или отталкивания в электрическом поле. В то время как ток — это скорость потока заряженных частиц, называемых электронами.
2. Заряд испытывает силу только в электрическом поле, тогда как ток испытывает силу как в электрическом, так и в магнитном поле.
3. Кулон — это единица электрических зарядов, а сила тока измеряется в амперах.

Заключение

Ток и заряд взаимосвязаны. Статическая частица имеет заряд, и движение зарядов известно как ток.

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 заряда. В реальных объектах нет ничего необычного в том, что они содержат заряды в 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 — 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.

Измерение заряда электрона и постоянной тонкой структуры путем подсчета электронов на конденсаторе

Abstract

Заряд электрона можно определить, просто поместив известное количество электронов на один электрод конденсатора и измерив напряжение, В _с , через конденсатор. Если В _s измеряется в джозефсоновских вольтах, а конденсатор измеряется в единицах СИ, то определяемой величиной является постоянная тонкой структуры.Недавние разработки, связанные с туннелированием одиночных электронов, SET, показали, как можно считать электроны, а также как сделать электрометр с достаточной чувствительностью для измерения заряда.

Ключевые слова: вычисляемый конденсатор , кулоновская блокада, заряд электрона, счет электронов, постоянная тонкой структуры, одноэлектронное туннелирование

1. Введение

Недавние разработки одноэлектронных устройств [1,2,3,4, 5] сделал возможным новый и очень точный метод измерения заряда электрона.Эти устройства основаны на туннельных переходах металл / диэлектрик / металл, вольт-амперные характеристики которых ( I – V ) определяются отдельными событиями туннелирования электронов. Если такое устройство используется для размещения n электронов на конденсаторе емкости C _s и измеряется результирующее напряжение V _s , заряд электрона e может быть определен в терминах этого напряжения. и емкость, ne = V _с C _с .На практике В _s наиболее точно определяется в терминах напряжения, генерируемого джозефсоновским переходом, и, таким образом, эксперимент будет не определением e в единицах СИ, а измерением e с точки зрения джозефсоновский вольт [6]. В этой статье мы показываем, что такое измерение скоро станет возможным и что точный результат внесет полезный вклад в область фундаментальных физических констант.

1.1 Связь постоянной тонкой структуры и электрического заряда

Сначала мы рассмотрим, как это измерение соотносится с постоянной тонкой структуры, a .Связав измеренное напряжение с джозефсоновским напряжением, а емкость с емкостью SI, измеренной в эксперименте с вычисляемыми конденсаторами [7], мы можем вычислить постоянную тонкой структуры из следующих простых уравнений:

, где f _i — частота, создающая ступеньки Джозефсона, а j — целое число, связанное с эффектом Джозефсона. (Обратите внимание, что в массиве Джозефсона j — это сумма всех целочисленных шагов каждого соединения.) Решение уравнения. (1) для e ² / h , α определяется как

α = μ0ce22h = jμ0cfiCs4n

(2)

, где μ ₀ — проницаемость вакуума, а C _s должно быть измерено в единицах СИ. В частности, емкость должна быть связана с экспериментом с вычисляемым конденсатором. В эксперименте с вычисляемым конденсатором изменение емкости на 0,5 пФ может быть измерено с помощью измерителя с точностью 0,014 ppm [7] (1 ppm = l × 10 ⁻⁶ ; все погрешности представляют собой оценки одного стандартного отклонения. ).Затем эту емкость можно связать с точностью около 0,01 ppm конденсатора 10 пФ, который является стабильным и переносным.

Если этот эксперимент по измерению e в терминах джозефсоновского вольта и вычисляемого конденсатора может быть реализован с высокой точностью, он обеспечит новый путь к α . Этот новый подход аналогичен измерению α с помощью квантового эффекта Холла [8]. Хотя оба эксперимента требуют подключения к вычисляемому конденсатору, этот новый метод гораздо более прямой.Изменение емкости на 0,5 пФ, используемое в большинстве вычисляемых экспериментов с конденсаторами, хорошо соответствует размеру емкости, которая может быть использована для определения e ; Для калибровки C _s необходимо задействовать только один или два прецизионных трансформаторных моста. Напротив, в случае квантового Холла цепочка калибровок может включать следующие промежуточные стандарты: 0,5 пФ, 10 пФ, 100 пФ, 1000 пФ, 100 кОм, 10 кОм, 1 кОм и 6453,2 Ом. Наиболее точное значение α , определенное с помощью вычисляемого конденсатора и квантового эффекта Холла, имеет погрешность 0.024 ppm [7,9], где 0,014 ppm поступает из вычисляемого конденсатора, а остальное — из цепочки промежуточных стандартов. Альтернативное определение α с использованием гиромагнитного отношения протонов в H ₂ O и квантового эффекта Холла, но не вычисляемого конденсатора, имеет погрешность 0,037 ppm [9]. Однако эти два результата отличаются друг от друга на (0,10 ± 0,043) ppm. Значение α , определенное из аномального магнитного момента электрона и квантовой электродинамической теории (КЭД), имеет неопределенность 0.007 ppm [10], и его значение находится между двумя значениями без QED. Следовательно, необъяснимая разница в 0,10 ppm в значениях без QED ограничивает точность, с которой проверяется теория QED. Любое измерение α этим новым методом SET на уровне 0,1 ppm или лучше было бы полезно в области фундаментальных констант [8].

1.2 SET Devices

К. К. Лихарев и его коллеги [1] долгое время были сторонниками применения эффектов кулоновской блокады, возникающих из-за незаметного заряда электронов, для реализации точного источника тока.Их новаторские идеи и эксперименты проложили путь большей части недавнего прогресса. В последние несколько лет были продемонстрированы новые устройства, использующие туннельные переходы металл / изолятор / металл, которые могут позволить точное измерение заряда электрона e и, таким образом, α . К ним относятся электрометр [2], наблюдение туннельных одноэлектронных колебаний [3], источник тока «турникет» [4] и источник тока «накачки» [5]. Краткий набросок одноэлектронного туннелирования представлен для описания работы электрометра и насоса.

Рассмотрим туннельный переход из нормального металла, смещенный источником тока и имеющий емкость C . Изменение энергии перехода после того, как электрон проходит через барьер, составляет ΔE = eQ / C — e ² / 2 C , где Q — заряд на переходе, а e ² / 2 C — стоимость кулоновской энергии туннельного события. Если туннельное сопротивление перехода больше квантовой единицы сопротивления, R _t ⪢ h / e ² , и тепловые флуктуации не маскируют энергию заряда, kT ⪡ e ² / 2 C , то в переходной характеристике I – V возникает кулоновская блокада, где вероятность туннелирования значительно снижается для | V | /2 C .При 50 мК и использовании емкости перехода 1 фФ получается ( кТ ) / ( e ² / 2 C ) ~ l / 20, следовательно, температурные эффекты незначительны, но пренебрежимо малы. . Одноэлектронные устройства используют эту кулоновскую блокаду туннельного тока.

Электрометр Фултона-Долана (SET) [2] схематично показан на рис. Помимо событий туннелирования, электрод а между двумя переходами и затворным конденсатором Со является «островком», электрически изолированным от цепи.Электрометр обеспечивает метод очень высокого импеданса для измерения потенциала U . При постоянном смещении В проводимость устройства как функция напряжения затвора является периодической с периодом ΔU = e / C ₀ . Напряжения смещения V и U выбраны для максимальной чувствительности электрометра, так что ток устройства линейно пропорционален небольшим изменениям потенциала U . Такие электрометры продемонстрировали зарядовую чувствительность 1.5 × 10 ⁻⁴ e / Гц ^1/2 при частоте от 2 до 200 Гц [11].

На этой схеме показан электрометр, образованный двумя туннельными переходами, каждый из которых имеет емкость C . Вход — это потенциал U , подключенный к изолированному острову через C _o .

Убедительное экспериментальное свидетельство осцилляций SET, вызывающих управляемый перенос электронов с соотношением I = ef , было получено Delsing et al.[3]. Герлигс и др. [4] первыми продемонстрировали плоские плато и наблюдали ток с точностью лучше 1% с помощью турникета. Однако некоторые свойства насосного устройства позволяют предположить, что он будет более точным при подсчете электронов, и поэтому мы делаем набросок его работы.

Электронный насос [5] (см.) Представляет собой устройство, подобное электрометру, в котором одиночный электрон туннелирует последовательно через «островки», помеченные b и c. Для заданного напряжения В , контролируемое количество электронов может быть передано в любом направлении, соответствующим образом циклически меняя напряжения затвора U ₁ и U ₂ на частоте f .Насос также подает электронный ток со скоростью I = ef . Направление тока можно изменить, просто поменяв местами фазы U ₁ и U ₂ . Теоретически предполагалось, что насос , основанный на четырех или пяти туннельных переходах, работающих на частоте 1–10 МГц, может подавать известный ток с ошибками ниже уровня 1 ppm [12,13].

На этой схеме показан трехпереходный насос, который качает один электрон за цикл показанных форм волны.Электрон сначала накачивается на остров b потенциалом U ₁ , затем на c U ₂ .

Ток, создаваемый этими насосами, составляет всего около 10 ⁻¹² А, и поэтому точные измерения будут проблемой. Прямое измерение путем измерения напряжения на высоком сопротивлении является проблемой, потому что метрологам трудно точно откалибровать требуемые высокие сопротивления. Конденсаторы, с другой стороны, уже точно откалиброваны в диапазоне, который будет полезен в следующем эксперименте.

2. Экспериментальные конфигурации [14]

2.1 Измерения электрического заряда

e

показывает одну возможную конфигурацию, которая включает эти новые устройства SET для измерения электронного заряда. Стандартный конденсатор C _s подключен к источнику тока (насосу), а также ко входу электрометра Фултона-Долана через конденсатор связи C _c , образуя изолированный остров a. При использовании электрометра в качестве детектора нуля на C _s подается напряжение В, , _{, s,} , чтобы поддерживать постоянный потенциал острова a (около земли), накачивая электроны на остров или с него.Паразитная емкость относительно земли, C _g , ограничивает чувствительность электрометра до В _с . Напряжение В _s на конденсаторе регулируется так, чтобы на входе электрометра всегда был одинаковый потенциал (около земли). Таким образом, ток от насоса служит зарядным током конденсатора при нарастании напряжения. Конкретный пример проиллюстрирован в. Когда насос работает на частоте 6,2 МГц в течение 10 с, напряжение на стандартном конденсаторе 1 пФ будет заряжаться до 10 В с линейной скоростью, чтобы вход электрометра оставался постоянным.Мы останавливаем насос и измеряем сигнал 10 В, а также любое отклонение электрометра от нуля. После реверсирования насоса в течение 20 с напряжение поднимается до -10 В.

Предлагаемая схема для измерения α . Напряжение В _с , необходимое для поддержания постоянного потенциала острова, когда на остров накачивается n электронов, можно использовать для измерения заряда электрона в терминах C _s и В _с .Электрометр контролирует потенциал a.

Последовательность измерений для измерения α , показывающая потенциал V _s как функцию времени.

Чтобы использовать конденсатор в качестве стандарта, он должен иметь четко определенную емкость; Таким образом, необходимо понимать, как измеряются прецизионные конденсаторы и при каких обстоятельствах они точно определяются. показаны основные характеристики одной стороны стандартного моста, который используется для сравнения конденсаторов C ₁ и C ₂ .Пунктирные линии представляют собой заземленный экран, который предотвращает воздействие потенциалов В, , _1, и В, , _2, на детектор, за исключением их соответствующих емкостей. Это экранирование имеет решающее значение для точного сравнения емкостей. Мост уравновешивается регулировкой потенциалов В ₁ / В ₂ = C ₂ / C ₁ . C _g1 и C _g2 представляют паразитную емкость относительно земли.На балансировку моста не влияет C _g1 , потому что на C _g1 нет напряжения, когда мост сбалансирован. Однако C _g1 действительно влияет на чувствительность детектора, поэтому ее следует сохранять небольшими. Емкость C _g2 не влияет на баланс до тех пор, пока сопротивление от источника до C ₁ мало по сравнению с импедансом C _g2 . Современные прецизионные эталоны емкости 10 пФ с C _g1 = 200 пФ сравниваются при 0.Уровень 01 ppm на частоте ω = 10 ⁴ с ⁻¹ (1592 Гц) с использованием детектора комнатной температуры с коэффициентом шума 20 e / Гц ^1/2 . Электрометр SET должен иметь аналогичные шумовые характеристики при той же частоте и емкости. Дальнейшее улучшение чувствительности электрометра SET ожидается при измерении меньших емкостей.

Схема, показывающая половину моста, используемого для сравнения конденсаторов C ₁ и C ₂ .Потенциалы В ₁ и В ₂ обычно получают от прецизионного трансформатора. Влияние паразитных емкостей C _g1 и C _g2 обсуждается в тексте.

Ключом к этому эксперименту по измерению и с использованием конденсатора является замена детектора электрометром Фултона-Долана, как показано на. Поместив электрометр на 20 мК рядом с источником заряда, мы ожидаем меньше проблем, связанных с утечкой и меньшим паразитным емкостным сопротивлением на землю.Кроме того, мы ожидаем получить выгоду от впечатляющей чувствительности этого устройства, значительно снизить утечку и при этом сделать хорошо определенный конденсатор, который можно откалибровать на месте, .

Из-за необходимости экранировать стандартный конденсатор, легче изначально установить этот конденсатор на другой микросхеме, нежели электрометр и помпа. По мере того, как многослойная технология становится частью процесса изготовления переходов, этот конденсатор может быть размещен на том же кристалле.Наличие его на отдельной микросхеме приводит к некоторым практическим ограничениям в выборе оптимального варианта для C _s . Чувствительность электрометра приблизительно определяется соотношением C _c / ( C _s + C _g ), где C _g представляет собой все остальные емкости относительно земли. Такое расположение двух микросхем увеличит C _g , но мы ожидаем, что оно останется около 1 пФ. Выбор C _s как маленький увеличивает V _s и максимизирует чувствительность электрометра.Емкость 1 пФ для C _s представляет собой практический компромисс.

Для калибровки емкости требуется подключение к комнатной температуре. Однако электрометр Фултона-Долана все еще можно было использовать с помощью переключателя калибровочного входа, показанного на рис. Обратите внимание, что необходимо следить за тем, чтобы емкость от острова до земли оставалась низкой.

2.2 Мост с двумя насосами

Другой интересный эксперимент (см.) Состоит в том, чтобы иметь два источника тока (изображенные как две четырехпереходные «насосы»), подводимые к островку a с общей емкостью около 10 фФ.Зарядное состояние острова а затем измеряется электрометром. Эта геометрия не позволяет измерить и , но позволит очень точно сравнить два источника тока. Любая разница в токе от двух источников будет отображаться как накопление заряда острова. Емкость островка выбирается достаточно большой, чтобы значительно уменьшить взаимодействие двух насосов, но достаточно малой, чтобы по-прежнему иметь разрешение по одиночному заряду. Поскольку ошибка обнаруживается как интегрированный заряд на острове, требуется лишь короткое время для получения чрезвычайно высокой точности.Также было бы интересно сравнить количество ошибок «помпы» и «турникета».

Мостовая схема, используемая для сравнения двух схем насосов. Электрометр обнаруживает любое накопление заряда на острове а.

3. Перспективы на будущее

Новый прецизионный метод измерения постоянной тонкой структуры с помощью формул. (1) и (2) были описаны. В настоящее время эксперименты SET используются для определения токов только на уровне 0,1–1,0%, поэтому предсказать конечную точность метода рискованно.Основываясь на теоретических предсказаниях [12,13], мы ожидаем, что количество электронов может быть измерено с точностью до 1 ppm в насосе с четырьмя переходами. Пятиступенчатый насос должен быть еще точнее. В настоящее время электрические стандарты, необходимые для поддержки этого измерения, не ограничивают его точность. Например, эталоны емкости 10 пФ сравниваются между национальными лабораториями около уровня 0,02 ppm, а эталоны напряжения Зенера 10 В также сравниваются с точностью 0,02 ppm. В первых экспериментах такая точность, скорее всего, не будет достигнута, но много физики будет изучено об устройствах SET, когда мы сделаем еще одно точное определение α .

Электричество и аналогия с водопадом

Для содержательного обсуждения электрохимии необходимо определить фундаментальные свойства электричества.

Введение

Напряжение между двумя точками — это краткое название электрической силы, которая будет управлять электрическим током между этими точками. В случае статических электрических полей напряжение между двумя точками равно разности электрических потенциалов между этими точками.В более общем случае с электрическими и магнитными полями, которые меняются со временем, эти термины больше не являются синонимами. Электрический потенциал — это энергия, необходимая для перемещения единичного электрического заряда в определенное место в статическом электрическом поле. Первое — это напряжение , обычно обозначаемое аббревиатурой «В» и измеряемое в вольтах. (также сокращенно «В»). Напряжение, также иногда называемое разностью потенциалов или электродвижущей силой (ЭДС). энергия, которую электроны имеют в объекте или цепи.В некотором смысле вы можете думать об этом как о количестве «толчка», которое электроны совершают, пытаясь приблизиться к положительному заряду. Чем больше энергии у электронов, тем сильнее напряжение.

Ток означает скорость протекания электрического заряда. Этот текущий электрический заряд обычно переносится движущимися электронами в проводнике, таком как провод; в электролите он переносится ионами. Единицей измерения скорости потока электрического заряда в системе СИ является ампер. Электрический ток измеряется амперметром. Ток обычно обозначается аббревиатурой «I» («C» зарезервирован для принципа заряда , наиболее фундаментального строительного блока электричества.) Ток измеряется в амперах или амперах , сокращение «A». Ток относится к тому, сколько электричества течет — сколько электронов движется по цепи за единицу времени.

Сопротивление объекта является мерой его сопротивления прохождению постоянного электрического тока. Объект с однородным поперечным сечением будет иметь сопротивление, пропорциональное его длине, обратно пропорциональное его площади поперечного сечения и пропорциональное удельному сопротивлению материала.Обнаруженное Георгом Омом в 1827 году электрическое сопротивление имеет некоторые концептуальные параллели с механическим понятием трения. Единица измерения электрического сопротивления в системе СИ — ом (Ом). Сопротивление относится к тому, насколько материал, проводящий электричество, противодействует потоку электронов. Чем выше сопротивление, тем труднее электронам протолкнуться.

Аналогия с водопадом

Если мы проведем аналогию с водопадом, напряжение будет представлять высоту водопада: чем оно выше, тем больше потенциальной энергии имеет вода в силу своего расстояния от дна водопада, и тем больше энергии она будет отдавать. владеть, когда он падает на дно.Затем ток показывает, сколько воды проходит через край водопада каждую секунду. Сопротивление относится к любым препятствиям, которые замедляют поток воды через край водопада (например, камни в реке перед краем).

Закон Ома

Эти напряжение, ток и сопротивление связаны с помощью принципа, известного как закон Ома:

\ [V = I * R \]

, в котором указано, что напряжение в цепи равно току в цепи, умноженному на ее сопротивление.Другой способ формулировки закона Ома, который часто легче понять, это:

\ [I = V / R \]

, что означает, что ток в цепи равен напряжению, деленному на сопротивление. Это имеет смысл, если вы подумаете о нашем примере с водопадом: чем выше водопад, тем больше воды захочет пройти через него, но это возможно только в той степени, в которой это возможно, в результате любых противостоящих сил. Если вы попытаетесь протянуть Ниагарский водопад через садовый шланг, вы получите столько воды каждую секунду, независимо от того, насколько высок водопад и сколько воды ждало, чтобы пройти! А если вы замените этот шланг на шланг большего диаметра, вы получите больше воды за то же время.

Кулоновский метр

Кулоновский метр

Вернуться к оглавлению.

Кулоновский счетчик

В данной статье дается описание самодельного кулоновского измерителя.

Введение: что такое кулон
Кулон (C) — это единица электрического заряда.
Когда тело электрически нейтрально (не заряжено), количество протонов равно
равно количеству электронов в нем.
Когда протонов больше, чем электронов, возникает положительный заряд.18 электронов.
Один кулон — это количество электрического заряда, переносимого за одну секунду
постоянный ток в один ампер.

Примеры заряда
Мы можем создать заряд, например, натерев поливинилхлоридный стержень шерстью.
Стержень заряжается отрицательно, а шерсть — положительно.
Заряд, произведенный таким образом, может быть нанокулоном (нКл) на квадратный см.

Другой пример заряда — заряженный конденсатор.
Положительный полюс конденсатора имеет избыток протонов, а отрицательный
полюс имеет равный избыток электронов.
Заряд (в кулонах), накопленный в конденсаторе, равен напряжению на
конденсатор (в вольтах) умноженный на емкость (в фарадах).

Как измерить заряд.
Одно свойство заряда состоит в том, что заряды противоположного знака будут привлекать каждый
Другие.
Заряженное тело любит притягивать равное количество противоположного заряда.
Мы можем использовать это свойство для создания кулоновского метра.

На этом рисунке мы видим:
Отрицательно заряженный изолированный стержень (A), по которому мы будем определять заряд.
Металлическая пластина (B), подключенная к кулоновскому измерителю и расположенная рядом с заряженным
стержень .
Кулоновский измеритель состоит из конденсатора (C) с вольтметром на нем.
Нижний вывод конденсатора подключен к земле

Когда стержень A приближается к пластине B, отрицательно заряженный стержень A будет
притягивать равный положительный заряд к пластине B.
Заряд, идущий на пластину B, исходит от верхней пластины конденсатора, оставляя
это отрицательно заряжено.
Это будет притягивать равный положительный заряд от земли к нижнему
пластина конденсатора.
Конденсатор C теперь заряжен, и вольтметр может измерять напряжение на нем,
пропорционально измеренному заряду.

Измерение работает лучше всего (наиболее точно), когда стержень (A) находится очень близко
к пластине (B).
Они могут даже касаться друг друга, это не имеет значения для измерения.
В местах, которых они касаются, противоположные заряды нейтрализуют друг друга, оставляя оба стержня A
и пластина B разряжена.
Но конденсатор C остается заряженным.

В этой установке, только заряд пластины B стержня (на коротком расстоянии)
измеряется.
Остальная часть стержня на некотором расстоянии от пластины B также может быть заряжена, но это
мало влияет на измерение.
Это связано с тем, что притяжение между зарядами уменьшается пропорционально квадрату
расстояние между ними.

Принципиальная схема кулоновского счетчика

Разъем CN1 — это входной разъем кулоновского измерителя.
Разъем CN2 должен быть заземлен.
Конденсатор C1 преобразует заряд в напряжение.
Поскольку C1 равен 100 нФ, каждый вольт
через C1 соответствует заряду 100 нКл.
C1 должен иметь низкий ток утечки и быть рассчитан не менее чем на 100 вольт.
Компонент A1 представляет собой газоразрядную трубку , защищает вход от напряжения
выше 90 В.

Операционный усилитель IC1 — буферный усилитель с коэффициентом усиления +1.
Наиболее важными характеристиками этого усилителя являются.
— Очень высокий входной импеданс, в данном случае около 1000 ГОм.
— Очень низкий входной ток, в данном случае около 3 пА.
Оба свойства важны для предотвращения дрейфа выходного сигнала кулоновского измерителя.
от измеренного значения

С помощью потенциометра R4 можно установить выходное напряжение усилителя точно на 0
Вольт (при замыкании входа на массу).
Это удаляет входное напряжение смещения операционного усилителя, в моем случае я мог бы отрегулировать
выходное напряжение от -13 мВ до + 7 мВ с R4.

Резистор R1 ограничивает входной ток операционного усилителя до безопасного значения ниже 1 мА, в
если напряжение на C1 достигает 90 В.Резистор
R5 рекомендован в даташите операционного усилителя.
CA3140E в случае, если входное напряжение может быть выше, чем напряжение питания
Напряжение.

Схема питается от аккумуляторных батарей, положительное напряжение питания
составляет + 4,8 Вольт.
Отрицательное напряжение питания составляет -2,4 Вольт.
В этой конфигурации выходной сигнал может достигать плюс и минус 2 Вольт, что я
хотел погонять цифровой вольтметр.
Общее напряжение питания не выше необходимого, чтобы усилитель
входной ток как можно меньше.

Светодиод D1 — это индикатор включения, который также показывает состояние батарей.
Пока D1 ярко светит, батареи в порядке.
Общий ток потребления цепи составляет около 5 мА.

Взгляд внутрь кулоновского счетчика.
Как видите, операционный усилитель перевернут.
Он устанавливается на медную печатную плату с некоторым радиатором между ними.
Это сделано для того, чтобы операционный усилитель оставался как можно более холодным.
входной ток как можно меньше.

Самодельный кулоновский счетчик.
Красный разъем вверху — это вход (CN1).
Черный справа — это заземляющий разъем (CN2).
Два разъема внизу — это выходы вольтметра.
Потенциометр предназначен для снятия напряжения смещения.

Зонд для измерения заряда поверхности, может быть подключен к
входной разъем кулоновского измерителя.
Зонд имеет алюминиевую пластину площадью 10 см

Перед началом измерения необходимо разрядить кулоновский счетчик путем кратковременного подключения
заземление к входному соединению.
Теперь вольтметр должен показывать 0,000 вольт.
В конце концов отрегулируйте потенциометр, если есть некоторое напряжение смещения.

Кулоновский измеритель в действии.
Заряженная пластина из оргстекла находится прямо над датчиком.
Каждый вольт на вольтметре соответствует заряду 100 нКл (нанокуллон).
Итак, в этом случае мы измеряем заряд -4,1 нКл.
Поскольку зонд имеет площадь 10 см, заряд
оргстекла составляет -0,41 нКл на см.
Когда заряженная поверхность не касается зонда, измеритель вернется в
ноль после удаления заряженной поверхности от зонда.

Когда заряженная поверхность коснется зонда, заряд может перейти от
поверхность к зонду.
Теперь заряд хранится в кулонахометре и останется там, когда (now
разряжена) поверхность отодвигается от зонда.

Расширение диапазона измерения

Для измерения больших количеств заряда диапазон измерения кулоновского
метр можно просто увеличить.
Просто подключите дополнительную емкость между входом и заземляющим разъемом.
На этом рисунке я добавил конденсатор на 10 мкФ.
Диапазон измерения теперь составляет 10,1 мкКл на вольт.
Если вы хотите ровно 10 мкКл / В, вы можете использовать 3 конденсатора по 3,3 мкФ параллельно,
или выберите конденсатор 10 мкФ с допуском -1%.

Дрейф напряжения
После зарядки кулоновского измерителя выходное напряжение должно оставаться постоянным, так как
пока вы не добавляете новый заряд.