Электрический заряд свойства: Электрический заряд и его свойства. Закон сохранения электрического заряда. Электрический заряд и его свойства.

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: .

Электростатика — Физика — Теория, тесты, формулы и задачи

Оглавление:

Основные теоретические сведения

Электрический заряд и его свойства

К оглавлению…

Электрический заряд – это физическая величина, характеризующая способность частиц или тел вступать в электромагнитные взаимодействия. Электрический заряд обычно обозначается буквами q или Q. В системе СИ электрический заряд измеряется в Кулонах (Кл). Свободный заряд в 1 Кл – это гигантская величина заряда, практически не встречающаяся в природе. Как правило, Вам придется иметь дело с микрокулонами (1 мкКл = 10^–6 Кл), нанокулонами (1 нКл = 10^–9 Кл) и пикокулонами (1 пКл = 10^–12 Кл). Электрический заряд обладает следующими свойствами:

1. Электрический заряд является видом материи.

2. Электрический заряд не зависит от движения частицы и от ее скорости.

3. 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.

4. Существует два рода электрических зарядов, условно названных положительными и отрицательными.

5. Все заряды взаимодействуют друг с другом. При этом одноименные заряды отталкиваются, разноименные – притягиваются. Силы взаимодействия зарядов являются центральными, то есть лежат на прямой, соединяющей центры зарядов.

6. Существует минимально возможный (по модулю) электрический заряд, называемый элементарным зарядом. Его значение:

e = 1,602177·10^–19 Кл ≈ 1,6·10^–19 Кл.

Электрический заряд любого тела всегда кратен элементарному заряду:

где: N – целое число. Обратите внимание, невозможно существование заряда, равного 0,5е; 1,7е; 22,7е и так далее. Физические величины, которые могут принимать только дискретный (не непрерывный) ряд значений, называются квантованными. Элементарный заряд e является квантом (наименьшей порцией) электрического заряда.

7. Закон сохранения электрического заряда. В изолированной системе алгебраическая сумма зарядов всех тел остается постоянной:

Закон сохранения электрического заряда утверждает, что в замкнутой системе тел не могут наблюдаться процессы рождения или исчезновения зарядов только одного знака.  Из закона сохранения заряда так же следует, если два тела одного размера и формы, обладающие зарядами q₁ и q₂ (совершенно не важно какого знака заряды), привести в соприкосновение, а затем обратно развести, то заряд каждого из тел станет равным:

С современной точки зрения, носителями зарядов являются элементарные частицы. Все обычные тела состоят из атомов, в состав которых входят положительно заряженные протоны, отрицательно заряженные электроны и нейтральные частицы – нейтроны. Протоны и нейтроны входят в состав атомных ядер, электроны образуют электронную оболочку атомов. Электрические заряды протона и электрона по модулю в точности одинаковы и равны элементарному (то есть минимально возможному) заряду e.

В нейтральном атоме число протонов в ядре равно числу электронов в оболочке. Это число называется атомным номером. Атом данного вещества может потерять один или несколько электронов, или приобрести лишний электрон. В этих случаях нейтральный атом превращается в положительно или отрицательно заряженный ион. Обратите внимание, что положительные протоны входят в состав ядра атома, поэтому их число может изменяться только при ядерных реакциях. Очевидно, что при электризации тел ядерных реакций не происходит. Поэтому в любых электрических явлениях число протонов не меняется, изменяется только число электронов. Так, сообщение телу отрицательного заряда означает передачу ему лишних электронов. А сообщение положительного заряда, вопреки частой ошибке, означает не добавление протонов, а отнимание электронов. Заряд может передаваться от одного тела к другому только порциями, содержащими целое число электронов.

Иногда в задачах электрический заряд распределен по некоторому телу. Для описания этого распределения вводятся следующие величины:

1. Линейная плотность заряда. Используется для описания распределения заряда по нити:

где: L – длина нити. Измеряется в Кл/м.

2. Поверхностная плотность заряда. Используется для описания распределения заряда по поверхности тела:

где: S – площадь поверхности тела. Измеряется в Кл/м².

3. Объемная плотность заряда. Используется для описания распределения заряда по объему тела:

где: V – объем тела. Измеряется в Кл/м³.

Обратите внимание на то, что масса электрона равна:

m_e = 9,11∙10^–31 кг.

Закон Кулона

К оглавлению…

Точечным зарядом называют заряженное тело, размерами которого в условиях данной задачи можно пренебречь. На основании многочисленных опытов Кулон установил следующий закон:

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

где: ε – диэлектрическая проницаемость среды – безразмерная физическая величина, показывающая, во сколько раз сила электростатического взаимодействия в данной среде будет меньше, чем в вакууме (то есть во сколько раз среда ослабляет взаимодействие).  Здесь k – коэффициент в законе Кулона, величина, определяющая численное значение силы взаимодействия зарядов. В системе СИ его значение принимается равным:

k = 9∙10⁹ м/Ф.

Силы взаимодействия точечных неподвижных зарядов подчиняются третьему закону Ньютона, и являются силами отталкивания друг от друга при одинаковых знаках зарядов и силами притяжения друг к другу при разных знаках. Взаимодействие неподвижных электрических зарядов называют электростатическим или кулоновским взаимодействием. Раздел электродинамики, изучающий кулоновское взаимодействие, называют электростатикой.

Закон Кулона справедлив для точечных заряженных тел, равномерно заряженных сфер и шаров. В этом случае за расстояния r берут расстояние между центрами сфер или шаров. На практике закон Кулона хорошо выполняется, если размеры заряженных тел много меньше расстояния между ними. Коэффициент k в системе СИ иногда записывают в виде:

где: ε₀ = 8,85∙10^–12 Ф/м – электрическая постоянная.

Опыт показывает, что силы кулоновского взаимодействия подчиняются принципу суперпозиции: если заряженное тело взаимодействует одновременно с несколькими заряженными телами, то результирующая сила, действующая на данное тело, равна векторной сумме сил, действующих на это тело со стороны всех других заряженных тел.

Запомните также два важных определения:

Проводники – вещества, содержащие свободные носители электрического заряда. Внутри проводника возможно свободное движение электронов – носителей заряда (по проводникам может протекать электрический ток). К проводникам относятся металлы, растворы и расплавы электролитов, ионизированные газы, плазма.

Диэлектрики (изоляторы) – вещества, в которых нет свободных носителей заряда. Свободное движение электронов внутри диэлектриков невозможно (по ним не может протекать электрический ток). Именно диэлектрики обладают некоторой не равной единице диэлектрической проницаемостью ε.

Для диэлектрической проницаемости вещества верно следующее (о том, что такое электрическое поле чуть ниже):

Электрическое поле и его напряженность

К оглавлению…

По современным представлениям, электрические заряды не действуют друг на друга непосредственно. 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.

Электрическое поле, окружающее заряженное тело, можно исследовать с помощью так называемого пробного заряда – небольшого по величине точечного заряда, который не вносит заметного перераспределения исследуемых зарядов. Для количественного определения электрического поля вводится силовая характеристика — напряженность электрического поля E.

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

Напряженность электрического поля – векторная физическая величина. Направление вектора напряженности совпадает в каждой точке пространства с направлением силы, действующей на положительный пробный заряд. Электрическое поле неподвижных и не меняющихся со временем зарядов называется электростатическим.

Для наглядного представления электрического поля используют силовые линии. Эти линии проводятся так, чтобы направление вектора напряженности в каждой точке совпадало с направлением касательной к силовой линии. Силовые линии обладают следующими свойствами.

• Силовые линии электростатического поля никогда не пересекаются.
• Силовые линии электростатического поля всегда направлены от положительных зарядов к отрицательным.
• При изображении электрического поля с помощью силовых линий их густота должна быть пропорциональна модулю вектора напряженности поля.
• Силовые линии начинаются на положительном заряде или бесконечности, а заканчиваются на отрицательном или бесконечности. Густота линий тем больше, чем больше напряжённость.
• В данной точке пространства может проходить только одна силовая линия, т.к. напряжённость электрического поля в данной точке пространства задаётся однозначно.

Электрическое поле называют однородным, если вектор напряжённости одинаков во всех точках поля. Например, однородное поле создаёт плоский конденсатор – две пластины, заряженные равным по величине и противоположным по знаку зарядом, разделённые слоем диэлектрика, причём расстояние между пластинами много меньше размеров пластин.

Во всех точках однородного поля на заряд q, внесённый в однородное поле с напряжённостью E, действует одинаковая по величине и направлению сила, равная F = Eq. Причём, если заряд q положительный, то направление силы совпадает с направлением вектора напряжённости, а если заряд отрицательный, то вектора силы и напряжённости противоположно направлены.

Силовые линии кулоновских полей положительных и отрицательных точечных зарядов изображены на рисунке:

Принцип суперпозиции

К оглавлению…

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 напряжённостей электрических полей, создаваемых в той же точке зарядами в отдельности:

Это свойство электрического поля означает, что поле подчиняется принципу суперпозиции. В соответствии с законом Кулона, напряженность электростатического поля, создаваемого точечным зарядом Q на расстоянии r от него, равна по модулю:

Это поле называется кулоновским. В кулоновском поле направление вектора напряженности зависит от знака заряда Q: если Q > 0, то вектор напряженности направлен от заряда, если Q < 0, то вектор напряженности направлен к заряду. Величина напряжённости зависит от величины заряда, среды, в которой находится заряд, и уменьшается с увеличением расстояния.

Напряженность электрического поля, которую создает заряженная плоскость вблизи своей поверхности:

Итак, если в задаче требуется определить напряженность поля системы зарядов, то надо действовать по следующему алгоритму:

1. Нарисовать рисунок.
2. Изобразить напряженность поля каждого заряда по отдельности в нужной точке. Помните, что напряженность направлена к отрицательному заряду и от положительного заряда.
3. Вычислить каждую из напряжённостей по соответствующей формуле.
4. Сложить вектора напряжённостей геометрически (т.е. векторно).

Потенциальная энергия взаимодействия зарядов

К оглавлению. ..

Электрические заряды взаимодействуют друг с другом и с электрическим полем. Любое взаимодействие описывается потенциальной энергией. Потенциальная энергия взаимодействия двух точечных электрических зарядов рассчитывается по формуле:

Обратите внимание на отсутствие модулей у зарядов. Для разноименных зарядов энергия взаимодействия имеет отрицательное значение. Такая же формула справедлива и для энергии взаимодействия равномерно заряженных сфер и шаров. Как обычно, в этом случае расстояние r измеряется между центрами шаров или сфер. Если же зарядов не два, а больше, то энергию их взаимодействия следует считать так: разбить систему зарядов на все возможные пары, рассчитать энергию взаимодействия каждой пары и просуммировать все энергии для всех пар.

Задачи по данной теме решаются, как и задачи на закон сохранения механической энергии: сначала находится начальная энергия взаимодействия, потом конечная. Если в задаче просят найти работу по перемещению зарядов, то она будет равна разнице между начальной и конечной суммарной энергией взаимодействия зарядов. Энергия взаимодействия так же может переходить в кинетическую энергию или в другие виды энергии. Если тела находятся на очень большом расстоянии, то энергия их взаимодействия полагается равной 0.

Обратите внимание: если в задаче требуется найти минимальное или максимальное расстояние между телами (частицами) при движении, то это условие выполнится в тот момент времени, когда частицы движутся в одну сторону с одинаковой скоростью. Поэтому решение надо начинать с записи закона сохранения импульса, из которого и находится эта одинаковая скорость. А далее следует писать закон сохранения энергии с учетом кинетической энергии частиц во втором случае.

Потенциал. Разность потенциалов. Напряжение

К оглавлению…

Электростатическое поле обладает важным свойством: работа сил электростатического поля при перемещении заряда из одной точки поля в другую не зависит от формы траектории, а определяется только положением начальной и конечной точек и величиной заряда.

Следствием независимости работы от формы траектории является следующее утверждение: работа сил электростатического поля при перемещении заряда по любой замкнутой траектории равна нулю.

Свойство потенциальности (независимости работы от формы траектории) электростатического поля позволяет ввести понятие потенциальной энергии заряда в электрическом поле. А физическую величину, равную отношению потенциальной энергии электрического заряда в электростатическом поле к величине этого заряда, называют потенциалом φ электрического поля:

Потенциал φ является энергетической характеристикой электростатического поля. В Международной системе единиц (СИ) единицей потенциала (а значит и разности потенциалов, т.е. напряжения) является вольт [В]. Потенциал — скалярная величина.

Во многих задачах электростатики при вычислении потенциалов за опорную точку, где значения потенциальной энергии и потенциала обращаются в ноль, удобно принять бесконечно удаленную точку. В этом случае понятие потенциала может быть определено следующим образом: потенциал поля в данной точке пространства равен работе, которую совершают электрические силы при удалении единичного положительного заряда из данной точки в бесконечность.

Вспомнив формулу для потенциальной энергии взаимодействия двух точечных зарядов и разделив ее на величину одного из зарядов в соответствии с определением потенциала получим, что потенциал φ поля точечного заряда Q на расстоянии r от него относительно бесконечно удаленной точки вычисляется следующим образом:

Потенциал рассчитанный по этой формуле может быть положительным и отрицательным в зависимости от знака заряда создавшего его. Эта же формула выражает потенциал поля однородно заряженного шара (или сферы) при r ≥ R (снаружи от шара или сферы), где R – радиус шара, а расстояние r отсчитывается от центра шара.

Для наглядного представления электрического поля наряду с силовыми линиями используют эквипотенциальные поверхности.  Поверхность, во всех точках которой потенциал электрического поля имеет одинаковые значения, называется эквипотенциальной поверхностью или поверхностью равного потенциала. Силовые линии электрического поля всегда перпендикулярны эквипотенциальным поверхностям. Эквипотенциальные поверхности кулоновского поля точечного заряда – концентрические сферы.

Электрическое напряжение это просто разность потенциалов, т.е. определение электрического напряжения может быть задано формулой:

В однородном электрическом поле существует связь между напряженностью поля и напряжением:

Работа электрического поля может быть вычислена как разность начальной и конечной потенциальной энергии системы зарядов:

Работа электрического поля в общем случае может быть вычислена также и по одной из формул:

В однородном поле при перемещении заряда вдоль его силовых линий работа поля может быть также рассчитана по следующей формуле:

В этих формулах:

• φ – потенциал электрического поля.
• ∆φ – разность потенциалов.
• W – потенциальная энергия заряда во внешнем электрическом поле.
• A – работа электрического поля по перемещению заряда (зарядов).
• q – заряд, который перемещают во внешнем электрическом поле.
• U – напряжение.
• E – напряженность электрического поля.
• d или ∆l – расстояние на которое перемещают заряд вдоль силовых линий.

Во всех предыдущих формулах речь шла именно о работе электростатического поля, но если в задаче говорится, что «работу надо совершить», или идет речь о «работе внешних сил», то эту работу следует считать так же, как и работу поля, но с противоположным знаком.

Принцип суперпозиции потенциала

Из принципа суперпозиции напряженностей полей, создаваемых электрическими зарядами, следует принцип суперпозиции для потенциалов (при этом знак потенциала поля зависит от знака заряда, создавшего поле):

Обратите внимание, насколько легче применять принцип суперпозиции потенциала, чем напряженности. Потенциал – скалярная величина, не имеющая направления. Складывать потенциалы – это просто суммировать численные значения.

Электрическая емкость. Плоский конденсатор

К оглавлению…

При сообщении проводнику заряда всегда существует некоторый предел, более которого зарядить тело не удастся. Для характеристики способности тела накапливать электрический заряд вводят понятие электрической емкости. Емкостью уединенного проводника называют отношение его заряда к потенциалу:

В системе СИ емкость измеряется в Фарадах [Ф]. 1 Фарад – чрезвычайно большая емкость. Для сравнения, емкость всего земного шара значительно меньше одного фарада. Емкость проводника не зависит ни от его заряда, ни от потенциала тела. Аналогично, плотность не зависит ни от массы, ни от объема тела. Емкость зависит лишь от формы тела, его размеров и свойств окружающей его среды.

Электроемкостью системы из двух проводников называется физическая величина, определяемая как отношение заряда q одного из проводников к разности потенциалов Δφ между ними:

Величина электроемкости проводников зависит от формы и размеров проводников и от свойств диэлектрика, разделяющего проводники. Существуют такие конфигурации проводников, при которых электрическое поле оказывается сосредоточенным (локализованным) лишь в некоторой области пространства. Такие системы называются конденсаторами, а проводники, составляющие конденсатор, называются обкладками.

Простейший конденсатор – система из двух плоских проводящих пластин, расположенных параллельно друг другу на малом по сравнению с размерами пластин расстоянии и разделенных слоем диэлектрика. Такой конденсатор называется плоским. Электрическое поле плоского конденсатора в основном локализовано между пластинами.

Каждая из заряженных пластин плоского конденсатора создает вблизи своей поверхности электрическое поле, модуль напряженности которого выражается соотношением уже приводившимся выше. Тогда модуль напряженности итогового поля внутри конденсатора, создаваемого двумя пластинами, равен:

За пределами конденсатора, электрические поля двух пластин направлены в разные стороны, и поэтому результирующее электростатическое поле E = 0.  Электроёмкость плоского конденсатора может быть рассчитана по формуле:

Таким образом, электроемкость плоского конденсатора прямо пропорциональна площади пластин (обкладок) и обратно пропорциональна расстоянию между ними. Если пространство между обкладками заполнено диэлектриком, электроемкость конденсатора увеличивается в ε раз. Обратите внимание, что S в этой формуле есть площадь только одной обкладки конденсатора. Когда в задаче говорят о «площади обкладок», то имеют в виду именно эту величину. На 2 умножать или делить её не надо никогда.

Еще раз приведем формулу для заряда конденсатора. Под зарядом конденсатора понимают только заряд его положительной обкладки:

Сила притяжения пластин конденсатора. Сила, действующая на каждую обкладку, определяется не полным полем конденсатора, а полем, созданным противоположной обкладкой (сама на себя обкладка не действует). Напряженность этого поля равна половине напряженности полного поля, и сила взаимодействия пластин:

Энергия конденсатора. Ее же называют энергией электрического поля внутри конденсатора. Опыт показывает, что заряженный конденсатор содержит запас энергии. Энергия заряженного конденсатора равна работе внешних сил, которую необходимо затратить, чтобы зарядить конденсатор. Существует три эквивалентные формы записи формулы для энергии конденсатора (они следуют одна из другой если воспользоваться соотношением q = CU):

Особое внимание обращайте на фразу: «Конденсатор подключён к источнику». Это означает, что напряжение на конденсаторе не изменяется. А фраза «Конденсатор зарядили и отключили от источника» означает, что заряд конденсатора не изменится.

Энергия электрического поля

Электрическую энергию следует рассматривать как потенциальную энергию, запасенную в заряженном конденсаторе. По современным представлениям, электрическая энергия конденсатора локализована в пространстве между обкладками конденсатора, то есть в электрическом поле. Поэтому ее называют энергией электрического поля. Энергия заряженных тел сосредоточена в пространстве, в котором есть электрическое поле, т.е. можно говорить об энергии электрического поля. Например, у конденсатора энергия сосредоточена в пространстве между его обкладками. Таким образом, имеет смысл ввести новую физическую характеристику – объёмную плотность энергии электрического поля. На примере плоского конденсатора, можно получить такую формулу для объёмной плотности энергии (или энергии единицы объёма электрического поля):

Соединения конденсаторов

К оглавлению…

Параллельное соединение конденсаторов – для увеличения ёмкости. Конденсаторы соединены одноименно заряженными обкладками, как бы увеличивая площадь одинаково заряженных пластин. Напряжение на всех конденсаторах одинаковое, общий заряд равен сумме зарядов каждого из конденсаторов, и общая ёмкость также равна сумме емкостей всех конденсаторов соединенных параллельно. Выпишем формулы для параллельного соединения конденсаторов:

При последовательном соединении конденсаторов общая ёмкость батареи конденсаторов всегда меньше, чем ёмкость наименьшего конденсатора, входящего в батарею. Применяется последовательное соединение для увеличения напряжения пробоя конденсаторов. Выпишем формулы для последовательного соединения конденсаторов. Общая емкость последовательно соединенных конденсаторов находится из соотношения:

Из закона сохранения заряда следует, что заряды на соседних обкладках равны:

Напряжение равно сумме напряжений на отдельных конденсаторах.

Для двух последовательно соединённых конденсаторов формула выше даст нам следующее выражение для общей емкости:

Для N одинаковых последовательно соединённых конденсаторов:

Проводящая сфера

К оглавлению…

Напряженность поля внутри заряженного проводника равна нулю. В противном случае на свободные заряды внутри проводника действовала бы электрическая сила, которая вынуждала бы эти заряды двигаться внутри проводника. Это движение, в свою очередь, приводило бы к разогреванию заряженного проводника, чего на самом деле не происходит.

Факт того, что внутри проводника нет электрического поля можно понять и по-другому: если бы оно было то заряженные частицы опять таки двигались бы, причем они бы двигались именно так, чтобы свести это поле к нолю своим собственным полем, т.к. вообще-то двигаться им не хотелось бы, ведь всякая система стремится к равновесию. Рано или поздно все двигавшиеся заряды остановились бы именно в том месте, чтобы поле внутри проводника стало равно нолю.

На поверхности проводника напряжённость электрического поля максимальна. Величина напряжённости электрического поля заряженного шара за его пределами убывает по мере удаления от проводника и рассчитывается по формуле, аналогичной формулам для напряженности поля точечного заряда, в которой расстояния отсчитываются от центра шара.

Так как напряженность поля внутри заряженного проводника равна нулю, то потенциал во всех точках внутри и на поверхности проводника одинаков (только в этом случае разность потенциалов, а значит и напряжённость равна нулю). Потенциал внутри заряженного шара равен потенциалу на поверхности. Потенциал за пределами шара вычисляется по формуле, аналогичной формулам для потенциала точечного заряда, в которой расстояния отсчитываются от центра шара.

Электрическая емкость шара радиуса R:

Если шар окружен диэлектриком, то:

Свойства проводника в электрическом поле

К оглавлению…

1. Внутри проводника напряженность поля всегда равна нулю.
2. Потенциал внутри проводника во всех точках одинаков и равен потенциалу поверхности проводника. Когда в задаче говорят, что «проводник заряжен до потенциала … В», то имеют в виду именно потенциал поверхности.
3. Снаружи от проводника вблизи от его поверхности напряженность поля всегда перпендикулярна поверхности.
4. Если проводнику сообщить заряд, то он весь распределится по очень тонкому слою вблизи поверхности проводника (обычно говорят, что весь заряд проводника распределяется на его поверхности). Это легко объясняется: дело в том, что сообщая заряд телу, мы передаем ему носители заряда одного знака, т.е. одноименные заряды, которые отталкиваются. А значит они будут стремиться разбежаться друг от друга на максимальное расстояние из всех возможных, т.е. скопятся у самых краев проводника. Как следствие, если из проводника удалить сердцевину, то его электростатические свойства никак не изменятся.
5. Снаружи проводника напряженность поля тем больше, чем кривее поверхность проводника. Максимальное значение напряженности достигается вблизи остриев и резких изломов поверхности проводника.

Замечания к решению сложных задач

К оглавлению…

1. Заземление чего-либо означает соединение проводником данного объекта с Землей. При этом потенциалы Земли и имеющегося объекта выравниваются, а необходимые для этого заряды перебегают по проводнику с Земли на объект либо наоборот. При этом нужно учитывать несколько факторов, которые следуют из того, что Земля несоизмеримо больше любого объекта находящегося не ней:

• Общий заряд Земли условно равен нолю, поэтому ее потенциал также равен нолю, и он останется равным нолю после соединения объекта с Землей. Одним словом, заземлить – означает обнулить потенциал объекта.
• Для обнуления потенциала (а значит и собственного заряда объекта, который мог быть до этого как положительным так и отрицательным), объекту придется либо принять либо отдать Земле некоторый (возможно даже очень большой) заряд, и Земля всегда сможет обеспечить такую возможность.

2. Еще раз повторимся: расстояние между отталкивающимися телами минимально в тот момент, когда их скорости становятся равны по величине и направлены в одну сторону (относительная скорость зарядов равна нулю). В этот момент потенциальная энергия взаимодействия зарядов максимальна. Расстояние между притягивающимися телами максимально, также в момент равенства скоростей, направленных в одну сторону.

3. Если в задаче имеется система, состоящая из большого количества зарядов, то необходимо рассматривать и расписывать силы, действующие на заряд, который не находится в центре симметрии.

Электрические заряды, их свойства и классификация. Закон Кулона.

Электрический заряд — физическая величина, характеризующая интенсивность электромагнитного взаимодействия тел. Сам по себе электрический заряд не существует, его носителем может быть только частица вещества.

Основные свойства

1. Двойственность: в природе существуют заряды двух знаков, одноименные отталкиваются, разноименные притягиваются. В связи с этим заряды условного разделены на положительные и отрицательные.

Положительным назван заряд, которым обладает стеклянная палочка, потертая о шелк или бумагу.

Отрицательный — заряд, которым обладает янтарная или эбонитовая палочка, потертая о мех или шерсть.

2. Квантование: если физическая величина принимает только определенные дискретные значения, говорят, что она квантуется (дискретна). Опыт показывает, что любой электрический заряд квантуется, т. е. состоит из целого числа элементарных зарядов.

,

где =1,2,…целое число; e =1,6·1 ^-19Кл — элементарный заряд.

Наименьшим (элементарным ) отрицательным зарядом обладает электрон, положительным — протон.

[q]=1Кл

1 кулон — заряд, проходящий через поперечное сечение проводника за одну секунду, когда по проводнику идет постоянный ток силой один ампер.

3. Сохранение заряда.

Электрические заряды могут исчезать и возникать вновь только парами. В каждой такой паре заряды равны по величине и противоположны по знаку. Например, электрон и позитрон при встрече аннигилируют, т.е. превращаются в нейтральные g — фотоны, при этом исчезают заряды –e и +e. В ходе процесса, называемого рождением пары, g — фотон, попадая в поле атомного ядра, превращается в пару частиц электрон и позитрон, при этом возникают заряды +e и –e.

Закон сохранения заряда: в изолированной системе алгебраическая сумма зарядов остается постоянной величиной при всех изменениях внутри системы.

Изолированной называется система тел, которая не обменивается зарядами с внешней средой.

4. Инвариантность заряда к различным инерциальным системам отсчета.

Опыт показывает, что величина заряда не зависит от скорости движения заряженного тела. Один и тот же заряд, измеренный в разных инерциальных системах отчета, одинаков.

5. Аддитивность: .

Классификация зарядов.

В зависимости от размеров заряженного тела заряды делят на точечные и протяженные.

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

· Протяженным называется заряд тела, размерами которого в условиях данной задачи пренебречь нельзя. Протяженные заряды делятся на линейные, поверхностные и объемные.

По способности смещаться относительно положения равновесия под действием внешнего эл. поля заряды условно делят на свободные, связанные и сторонние.

Свободными называют заряды, способные свободно перемещаться в теле под действием внешнего эл. поля.

Связанными называют заряды, входящие в состав молекул диэлектриков, которые под действие эл. поля могут лишь смещаться из своего положения равновесия, но покинуть молекулу не могут.

Сторонними называются заряды, находящиеся на диэлектрике, но не входящие в состав его молекул.

Закон, которому подчиняется сила взаимодействия точечных зарядов, был установлен экспериментально в 1785г. Кулоном.

Закон Кулона: сила взаимодействия двух неподвижных точечных зарядов прямо пропорциональна зарядам, обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними, направлена вдоль прямой, соединяющей заряды, и зависит от среды, в которой они находятся.

где q_1,q₂— величины зарядов; r — расстояние между зарядами;

=8,85·1 ^-12 Кл²/(Н·м²) — электрическая постоянная,

e — диэлектрическая проницаемость среды.

диэлектрическая проницаемость вещества показывает, во сколько раз сила взаимодействия зарядов в данном диэлектрике меньше, чем в вакууме, _{вакуума}=1, — безразмерная величина.

Объясним причину этого ослабления, для чего рассмотрим заряженный шарик, окруженный диэлектриком. Поле шарика ориентирует молекулы диэлектрика, и на поверхности диэлектрика, примыкающей к шарику, появляются отрицательные связанные заряды.

Поле в любой точке диэлектрика будут создавать две противоположно заряженные сферы: поверхность шарика, заряженная положительно, и примыкающая к ней отрицательно заряженная поверхность диэлектрика, при этом из поля свободных зарядов вычитается поле связанных зарядов, и суммарное поле будет более слабым, чем поле одного шара.

1. Напряженность электростатического поля. Принцип суперпозиции электрических полей. Поток вектора .

Всякий заряд изменяет свойства окружающего пространства — создает в нем электрическое поле.

Электрическое поле — одна из форм существования материи, окружающей электрические заряды. Это поле проявляет себя в том, что помещенный в какую-либо его точку электрический заряд оказывается под действием силы.

Представление об электрическом поле было введено в науку в 30-х годах XIX столетия английским учеными Майклом Фарадеем.

Согласно Фарадею, каждый электрический заряд окружен созданным им электрическим полем, поэтому такой заряд иногда называют зарядом- источником. Заряд, с помощью которого исследуют поле заряда источника, называют пробным зарядом.

Для того чтобы сила, действующая на пробный заряд, характеризовала поле в данной точке; пробный заряд должен быть точечным.

Точечным зарядом называют заряженное тело, размерами которого можно пренебречь в условиях данной задачи, т.е. размеры которого малы по сравнению с расстояниями до других тел, с которыми он взаимодействует. При этом собственное электрическое поле пробного заряда должно быть столь мало, чтобы оно не изменяло поле заряда — источника. Чем меньше размер заряженного тела и чем слабее его собственное поле по сравнению с полем заряда — источника, тем точнее данное заряженное тело удовлетворяет условию пробного заряда.

Электрическое поле распространяется в вакууме со скоростью с= 3·1⁸ .

Поле неподвижных электрических зарядов — электростатическое.

Исследуем с помощью пробного заряда поле, создаваемое неподвижным зарядом — источником .

Сила, действующая на пробный заряд в данной точке поля, зависит от величины пробного заряда. Если брать различные пробные заряды, то и сила, действующая на них в данной точке поля, будет различной.

Однако отношение силы к величине пробного заряда остается постоянным и характеризует уже само поле. Это отношение называется напряженностью электрического поля в данной точке.

, .

Напряженность электрического поля — это векторная величина, численно равная силе, с которой поле действует на единичный положительный пробный заряд в данной точке поля и сонаправленная с этой силой.

Напряженность является основной характеристикой поля и полностью характеризует поле в каждой его точке по величине и направлению.

Напряженность поля точечного заряда.

Согласно закону Кулона

,

поэтому

=

— напряженность электрического поля точечного заряда на расстоянии r от этого заряда.

Электрическое поле удобно графически изображать с помощью картины так называемых силовых линий, или линий напряженности.

Линией напряженности называется линия, касательная к которой в каждой точке совпадает по направлению с вектором напряженности в этой точке.

Линии напряженности поля, создаваемого неподвижными зарядами, всегда начинаются и кончаются на зарядах (или в бесконечности) и никогда не бывают замкнутыми. Более сильное поле изображается более плотно расположенными линиями напряженности. Густота линий выбирается так, чтобы количество линий, пронизывающих единицу поверхности площадки, перпендикулярной к линиям, было равно численному значению вектора . Линии напряженности никогда не пересекаются, т.к. их пересечение означало бы два различных направления вектора напряженности поля в одной и той же точке, что не имеет смысла.

Однородным называется поле, в котором напряженность во всех точках имеет одну и ту же величину и одинаковое направление, . В таком поле силовые линии параллельны и плотность их всюду одинакова, т.е. они расположены на одинаковом расстоянии друг от друга.

Принцип суперпозиции.

Если электрическое поле в данной точке создано несколькими зарядами, то напряженность результирующего поля равна векторной сумме напряженностей полей, созданных каждым зарядом в отдельности.

Принцип суперпозиции является опытным фактом, справедливым вплоть до очень сильных полей. По этому же закону складываются не только статические, но и быстро меняющиеся электромагнитные поля

Выделим в векторном поле некоторый объем, ограниченный поверхностью S. Разобьем эту поверхность на элементарные площадки величиной .

Можно ввести в рассмотрение направленный элемент поверхности . Направленным элементом поверхности называется вектор, длина которого равна площади элемента , а направление совпадает с направлением нормали к этому элементу. Для замкнутой поверхности берется внешняя нормаль к поверхности. Поскольку выбор направления произволен (условен), его можно направить как в одну сторону от площадки, так и в другую, является не истинным вектором, а псевдовектором.

направленный элемент поверхности,

— элементарная поверхность.

Потоком вектора напряженности через элементарную поверхность dS называется скалярное произведение

,

где a- угол между векторами и ,

Е_п — проекция на направление нормали .

Просуммировав потоки через все элементарные площадки, на которые разбили поверхность S, получим поток вектора через поверхность S.

Потоком вектора через поверхность S называется интеграл

Для замкнутой поверхности .

Поток вектора — алгебраическая величина:

если:

Для однородного поля

Потоку вектора напряженности можно дать наглядную геометрическую интерпретацию: численно равен количеству линий напряженности, пересекающих данную поверхность.

2. Теорема Гаусса для потока вектора и ее применение для расчета полей протяженных зарядов в вакууме.

Зная напряженность поля точечного заряда, и используя принцип суперпозиции, можно рассчитать напряженность поля, созданного несколькими точечными зарядами. Однако для протяженных зарядов применение принципа суперпозиции затруднительно. Метод расчета полей, созданных протяженными зарядами, был предложен немецким ученым Гауссом в начале 19 века.

Теорема Гаусса для электростатического поля в вакууме.

Рассмотрим поле точечного заряда в вакууме и вычислим через поверхность сферы радиуса

Напряженность поля в любой точке поверхности сферы

Т.к. численно равен числу линий вектора пересекающих эту поверхность, то, если вместо сферы взять любую другую замкнутую поверхность, поток останется тем же, т.к. все линии, проходящие через сферу, проходят и через эту поверхность. Таким образом, для любой замкнутой поверхности, заключающей в себе точечный заряд q

Если внутри замкнутой поверхности находятся N точечных зарядов, то согласно принципу суперпозиции:

если , то

поэтому

,

т.к. каждый интеграл .

теорема Гаусса для электростатического поля в вакууме. (1)

Поток вектора напряженности электростатического поля в вакууме через любую замкнутую поверхность прямо пропорционален алгебраической сумме зарядов, охватываемых этой поверхностью.

Суть метода Гаусса:

1) охватывать участок, содержащий заряды, замкнутой поверхностью;

2) выразить Ф_Е через эту поверхность;

3) выразить суммарный заряд через t или s;

4) приравнять Ф_Е суммарному заряду, деленному на e₀;

5) из полученного соотношения найти Е.

Поле бесконечной равномерно заряженной плоскости.

Поверхностная плотность заряда — физическая величина, равная заряду, приходящемуся на единицу площади равномерно заряженной поверхности.

Если поверхность заряжена неравномерно,

Поле такой поверхности однородно. Окружим элемент DS этой поверхности замкнутой поверхностью в форме цилиндра. — поток через боковую поверхность равен нулю, т.к. линии не пересекают ее.

,

;

Поле 2-х бесконечных разноименно заряженных плоскостей

Полученный результат справедлив для плоскостей конечных размеров, расстояние между которыми мало по сравнению с их размерами (конденсатор).

Поле бесконечного равномерно заряженного цилиндра.

Линейная плотность заряда — физическая величина, численно равная заряду, приходящемуся на единицу длины равномерно заряженной нити.

Если нить заряжена неравномерно,

;

.

Поле равномерно заряженной сферы радиуса R

Узнать еще:

Элеком37, Электрический заряд и его свойства, физика.

Электрический заряд и его свойства.

Электрический заряд это физическая величина, характеризующая способность частиц или тел вступать в электромагнитные взаимодействия. Электрический заряд обычно обозначается буквами q или Q. В системе СИ электрический заряд измеряется в Кулонах (Кл).
Свободный заряд в 1 Кл – это гигантская величина заряда, практически не встречающаяся в природе. Как правило, Вам придется иметь дело с микрокулонами (1 мкКл = 10–6 Кл), нанокулонами (1 нКл = 10–9 Кл) и пикокулонами (1 пКл = 10–12 Кл).

Электрический заряд обладает следующими свойствами:.

e = 1,602177·10–19 Кл ≈ 1,6·10–19 Кл.

Электрический заряд любого тела всегда кратен элементарному заряду:

где: N – целое число. Обратите внимание, невозможно существование заряда, равного 0,5е; 1,7е; 22,7е и так далее. Физические величины, которые могут принимать только дискретный (не непрерывный) ряд значений, называются квантованными.
Элементарный заряд e является квантом (наименьшей порцией) электрического заряда.

Закон сохранения электрического заряда утверждает, что в замкнутой системе тел не могут наблюдаться процессы рождения или исчезновения зарядов только одного знака. Из закона сохранения заряда так же следует, если два тела одного размера и формы, обладающие зарядами q1 и q2
(совершенно не важно какого знака заряды), привести в соприкосновение, а затем обратно развести, то заряд каждого из тел станет равным:

С современной точки зрения, носителями зарядов являются элементарные частицы. Все обычные тела состоят из атомов, в состав которых входят положительно заряженные протоны, отрицательно заряженные электроны и нейтральные частицы – нейтроны.
Протоны и нейтроны входят в состав атомных ядер, электроны образуют электронную оболочку атомов. Электрические заряды протона и электрона по модулю в точности одинаковы и равны элементарному (то есть минимально возможному) заряду e.

В нейтральном атоме число протонов в ядре равно числу электронов в оболочке. Это число называется атомным номером. Атом данного вещества может потерять один или несколько электронов, или приобрести лишний электрон. В этих случаях нейтральный атом превращается в положительно или
отрицательно заряженный ион. Обратите внимание, что положительные протоны входят в состав ядра атома, поэтому их число может изменяться только при ядерных реакциях.
Очевидно, что при электризации тел ядерных реакций не происходит.

Поэтому в любых электрических явлениях число протонов не меняется, изменяется только число электронов. Так, сообщение телу отрицательного заряда означает передачу ему лишних электронов. А сообщение положительного заряда, вопреки частой ошибке, означает не добавление протонов, а отнимание электронов.
Заряд может передаваться от одного тела к другому только порциями, содержащими целое число электронов.

Иногда в задачах электрический заряд распределен по некоторому телу. Для описания этого распределения вводятся следующие величины:

1. Линейная плотность заряда. Используется для описания распределения заряда по нити:

где: L – длина нити. Измеряется в Кл/м.

2. Поверхностная плотность заряда. Используется для описания распределения заряда по поверхности тела:

где: S – площадь поверхности тела. Измеряется в Кл/м2.

3. Объемная плотность заряда. Используется для описания распределения заряда по объему тела:

где: V – объем тела. Измеряется в Кл/м3.

Обратите внимание на то, что масса электрона равна:

me = 9,11∙10–31 кг.

1.1 Электрический заряд

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

Квантование электрического заряда. На
основании большого числа экспериментов установлено, что электрический заряд квантуется, т. е. заряд любого тела кратен целому
числу элементарных зарядов,
каждый из которых имеет величину, равную 1,60×10^—19
Кл. Этот элементарный заряд принято обозначать буквой e. Частицей с отрицательным элементарным зарядом является электрон (m_e
= 9,11×10^—31
кг). Примером устойчивой частицы с положительным элементарным зарядом
служит протон (m_р = 1,67×10^—27 кг). Известна также частица с массой, равной массе
электрона, и зарядом, равным заряду протона, получившая название позитрон.

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

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

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

Вопросы

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

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

3)     
Какую систему можно считать электрически изолированной

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

Электричество и магнетизм

Все тела в природе образованы из атомов или молекул, которые, в свою очередь, состоят из ядер и электронов, обладающих электрическим зарядом.

Электрический заряд является феноменологической характеристикой свойств элементарных частиц и их взаимодействий.

Между заряженными элементарными частицами существуют особые силы взаимодействия, называемые электрическими силами. Экспериментально установлено, что эти силы могут быть как силами притяжения, так и силами отталкивания, поэтому для описания электрического взаимодействия  вводятся два типа электрических зарядов, условно называемых отрицательными и положительными:  одноименные заряды отталкиваются, а разноименные — притягиваются (рис. 1.2).  

 Рис. 1.2. Два отрицательных заряда отталкиваются, отрицательный и положительный заряды притягиваются, два положительных заряда отталкиваются

Видео 1.2. Два вида зарядов. Электризация трением: шерсть и эбонит.

Видео 1.3. Два вида зарядов. Электризация трением: эбонитовая и стеклянная палочки.

 Заряд электронов считается отрицательным, заряд протонов —  положительным. Входящие в состав ядер нейтроны электрического заряда не имеют. Силы электрического взаимодействия связывают ядро и электроны в единую устойчивую систему — атом. 

Наименьший по величине электрический заряд, экспериментально обнаруженный в природе, — заряд электрона. Заряд протона точно равен ему по величине и противоположен по знаку:

Отметим, что приведенное выше значение элементарного заряда обычно используется для приближенных расчетов и при решении учебных школьных и ВУЗовских задач. На самом деле физики-экспериментаторы определили его с гораздо большей точностью. В настоящее время в таблицах (Journal of Physics G. Nuclear and Particle Physics. Vol. 37, № 7А, July 2010, Article 075021) приводится следующее значение элементарного заряда

Ввиду точного равенства величин зарядов протона и электрона в каждом атоме суммарный положительный и отрицательный заряды одинаковы по величине, и поэтому обычно тела оказываются электронейтральными. Однако, прилагая некоторые усилия, можно оторвать электроны от одних тел, которые становятся при этом положительно заряженными, и передать их другим телам, которые заряжаются отрицательно. Такие тела являются макроскопически заряженными. Электрический заряд любого тела кратен элементарному заряду e, то есть изменяется дискретно: 

 где N — целое число. О дискретности возможных значений электрического заряда принято говорить как  о  квантовании  электрического заряда. 

Многочисленные эксперименты доказали, что имеет место закон сохранения электрического заряда: 

Электроизолированной принято называть такую физическую систему, граничную поверхность которой заряженные частицы пересекать не могут. Поэтому во многих случаях, в частности, при выводе уравнений, являющихся интегральной или дифференциальной формой записи закона сохранения заряда весьма полезна такая его формулировка:  

Очевидно, что «вносить» в систему или «выносить» из системы заряженные частицы — в алгебраическом смысле одно и то же. Отметим также, что подобный подход оказывается продуктивным и при записи других законов сохранения: энергии, импульса, момента импульса и т. п.

На микроскопическом уровне закон сохранения заряда следует из анализа реакций между элементарными частицами и, конечно, ядерных реакций. Возьмем, например, альфа-распад изотопа урана (рис. 1.3):

Рис. 1.3. Альфа-распад изотопа урана-238 

Атомный номер Z ядра урана равен 92, что означает, что в ядре находится 92 протона, то есть его заряд равен q_U = 92e. У тория Z = 90, то есть заряд его ядра q_Th=90e, а для гелия Z = 2 и q_He = 2e. Выполнение равенства

и означает сохранение электрического заряда в данной реакции. Никогда не наблюдались реакции с участием ядер или элементарных частиц, в которых бы нарушался закон сохранения электрического заряда. Это не означает, что частицы с электрическим зарядом не могут исчезать или рождаться, но при этом также должны исчезнуть или родиться частицы с таким же, но противоположным по знаку зарядом. Главное, чтобы суммарный заряд до и после реакции оставался неизменным. Приведем в качестве примера так называемую реакцию аннигиляции: электрон e^– с зарядом –e сталкивается со своей античастицей — позитроном e⁺, заряд которого положителен и равен +e. В результате рождаются два фотона g  (рис. 1.4). 

Рис. 1.4. Реакция аннигиляции электрона и позитрона

 Легко убедиться, что реакция

удовлетворяет закону сохранения электрического заряда: полный заряд до и после реакции равен нулю. В то же время никогда не наблюдалась такая, например, реакция

в которой заряд не сохраняется.  

Электрон — самая легкая из заряженных частиц, и благодаря закону сохранения заряда (и закону сохранения энергии) ему просто не на что распадаться. Поэтому электрон стабилен, и это есть необходимая предпосылка стабильности атомов, молекул, вещества и нас с вами. 

Дополнительная информация 

http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/Nuclear/radact.html — альфа-распад;

http://www.femto.com.ua/articles/part_1/0141.html  — аннигиляция;

http://www.abitura.com/happy_physics/kaganov4.html   — электрон.

электрического заряда | Свойства, примеры, единицы измерения и факты

Электрический заряд , основное свойство вещества, переносимого 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 константе. 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 такое же количество протонов, как и 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 из атомов в поверхностном слое стеклянного стержня, положительно заряженного при протирании его шелковой тканью, потеряли электроны, оставив чистый положительный заряд из-за ненейтрализованных протонов их ядер.Отрицательно заряженный объект имеет избыток электронов на своей 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 подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту.
Подпишитесь сейчас

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 кулонов.

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).

Основные свойства электрического заряда — Учебный материал для IIT JEE

Электрозаряд

Изображение 1: Типы сборов

Электрический заряд определяется как количество энергии или электронов, переходящих от одного тела к другому посредством проводимости, индукции или других специальных методов. Есть два типа электрических зарядов: положительный заряд и отрицательный заряд.Заряды есть почти у всех, и предполагается, что те тела, у которых нет зарядов, нейтрально заряжены или не заряжены.

Заряд обозначается символом «q», его стандартной единицей является кулон. Математически заряд — это количество электронов, умноженное на заряд 1 электрона. То есть

Q = ne

где q — заряд, n — количество электронов, а e — заряд на 1 электрон (1,6 × 10 ^-19 C)

Изображение 2: Основной характер сборов

Электрический заряд — это фундаментальное свойство частицы, такое же, как ее масса и длина.Он также означает силу притяжения между двумя электронами. Две основные природы электрических зарядов — это

.

• Подобные заряды отталкиваются друг от друга, то есть один электрон отталкивает другой электрон, или один протон отталкивает другой протон

• В отличие от зарядов, притягивающих друг друга, один электрон будет притягивать другой протон, или наоборот

Природа зарядов отвечает за действующие на них силы и координирует направление их потока.Заряд электрона и протона одинаков по величине, которая составляет 1,6 × 10 ^-19 C. Единственная разница в том, что мы показываем заряд на протоне с положительным знаком и на электроне с отрицательным знаком.

Единица оплаты

Стандартная единица электрического заряда — кулон. Его символ — C, а 1 C определяется как заряд, протекающий по проводу за 1 секунду, если ток, протекающий по проводу, равен 1 A. Заряд тела измеряется путем сравнения его со стандартным значением.

Основные свойства электрического заряда

Поскольку заряды бывают двух типов, положительные и отрицательные, у них есть и другие определенные основные свойства. Если размер заряженных тел настолько мал, мы считаем их точечными зарядами. Основные свойства электрических зарядов следующие:

• Сборы носят аддитивный характер

• Начисление — это сохраняемое количество

• Квантование заряда

Сборы носят аддитивный характер

Изображение 3: Добавление начислений в систему

По своей природе начисления являются аддитивными, то есть они похожи на скаляры и могут добавляться напрямую. Для примера рассмотрим систему, которая состоит из двух зарядов, а именно q ₁ и q ₂ . Теперь мы хотим найти общий заряд системы. Общий заряд системы будет алгебраической суммой q ₁ и q ₂ , то есть q ₁ + q ₂ . То же самое можно сказать и о количестве зарядов в системе. Допустим, система содержит q ₁ , q ₂ , q ₃ , q ₄ ……… .q _n , тогда чистая плата за всю систему будет

= q ₁ + q ₂ + q ₃ + q ₄ + ……………………….. + q _n

Заряд — это скалярная величина, поскольку он имеет только величину и не имеет направления. Заряд такой же, как и другие фундаментальные свойства системы, такие как масса. Единственная разница между массой и зарядом состоит в том, что заряд одновременно положительный и отрицательный, тогда как масса всегда положительна.

Пример :

Плата за систему составляет +3 C, + 2 C, + 5 C и -4 C соответственно. Какова будет чистая стоимость системы?

Мы знаем, что чистый заряд системы — это алгебраическая сумма отдельных зарядов.Пусть общий заряд системы равен «Q». Тогда

Q = 3 C + 2 C + 5C — 4C

= 6 C

Начисление — это сохраняемое количество

Изображение 4: заряд сохраняется

Заряд — это сохраняемая величина, что означает, что заряд не может быть ни создан, ни разрушен, но может передаваться от одного тела к другому с помощью определенных методов, таких как проводимость и индукция. Поскольку зарядка включает в себя трение двух тел, на самом деле это перенос электронов от одного тела к другому.Мы не можем создать заряд в теле, но в конечном итоге можем передать их другому телу с помощью некоторых удобных методов.

В системе, когда заряды распределяются соответствующим образом, по принципу сохранения чистый заряд системы остается постоянным. Например, если 5 C — это общий заряд системы, то он может быть перераспределен как 1C, 2C и 2C или в любой другой возможной перестановке, но по принципу сохранения чистый заряд системы всегда будет 5 C. Хотя заряд носители могут быть уничтожены в системе, но чистый заряд останется сохраненным.

Пример

Иногда нейтрино распадается, давая по умолчанию один электрон и один протон. Чистый заряд системы будет равен нулю, поскольку электроны и протоны имеют одинаковую величину и противоположные знаки. Тогда чистый заряд системы до создания электрона и протона (то есть ноль) равен чистому заряду системы после создания электрона и протона (который снова равен нулю). Это доказывает принцип сохранения.

Квантование заряда

Изображение 5: Число электронов в 1 кулоне

Квантование заряда означает, что заряд является квантованной величиной и выражается в виде целых кратных основной единицы заряда (е — заряд одного электрона).Предположим, что заряд на теле равен q, тогда его можно записать как

.

q = ne

, где n — целое, а не дробное или иррациональное число, например, «n» может быть любым положительным или отрицательным целым числом, например 1, 2, 3, -5 и т. Д.

Базовая единица заряда — это заряд, приобретаемый электроном или протоном. По соглашению мы принимаем заряд электрона как отрицательный и обозначаем его как « -e », а заряд на протоне просто « e ». Принцип квантования заряда был впервые предложен английским экспериментатором Фарадеем, когда он выдвинул свои экспериментальные законы электролиза.Принцип был окончательно продемонстрирован и доказан Милликеном в 1912 году.

1 Кулон заряда содержит около 6 × 10 ¹⁸ электронов. Частицы не обладают высокой величиной заряда, и мы используем микрокулоны или милликулоны, чтобы выразить заряд частицы.

1 мкКл = 10 ^-6 С

1 мСл = 10 ^-3 С

Принцип квантования можно использовать для вычисления общего количества заряда, присутствующего в теле, а также для вычисления количества электронов или протонов в теле.

Предположим, что система имеет n ₁ количество электронов и n ₂ количество протонов, тогда общее количество заряда будет n ₂ e — n ₁ e.

Посмотрите это видео, чтобы получить дополнительную информацию

Другие показания

Основные свойства электрического заряда

Обзор | Безграничная физика

Электрический заряд в атоме

Атомы содержат отрицательно заряженные электроны и положительно заряженные протоны; количество каждого из них определяет чистый заряд атома.

Цели обучения

Определите факторы, определяющие чистый заряд атома

Основные выводы

Ключевые моменты

• Протон — это положительно заряженная частица, расположенная в ядре атома. Электрон имеет [латекс] \ frac {1} {1836} [/ latex], умноженный на массу протона, но равный и противоположный отрицательный заряд.
• Элементарный заряд протона или электрона приблизительно равен 1,6 × 10-19 кулонов.
• В отличие от протонов, электроны могут перемещаться от атома к атому.Если у атома равное количество протонов и электронов, его суммарный заряд равен 0. Если он получает дополнительный электрон, он становится отрицательно заряженным и известен как анион. Если он теряет электрон, он становится положительно заряженным и известен как катион.

Ключевые термины

• ядро ​​: массивная положительно заряженная центральная часть атома, состоящая из протонов и нейтронов

Обзор атомных электрических зарядов

Атомы, фундаментальные строительные блоки всех молекул, состоят из трех типов частиц: протонов, нейтронов и электронов.Из этих трех типов субатомных частиц два (протоны и электроны) несут чистый электрический заряд, а нейтроны нейтральны и не имеют чистого заряда.

И протоны, и электроны имеют квантованный заряд. То есть величина их соответствующих зарядов, которые равны друг другу, равна 1. Это стандартное значение равно примерно 1,6 × 10 ^-19 Кулонов.

Протоны

Протонов находятся в центре атома; они вместе с нейтронами составляют ядро.Протоны имеют заряд +1 и массу в 1 атомную единицу массы, что примерно равно 1,66 × 10 ^-24 граммов. Число протонов в атоме определяет идентичность элемента (например, атом с одним протоном — это водород, а атом с двумя протонами — это гелий). Таким образом, протоны относительно стабильны; их количество меняется редко, только в случае радиоактивного распада.

Электронов

Электронов находятся на периферии атома и имеют заряд -1.Они намного меньше протонов; их масса [латекс] \ frac {1} {1836} [/ latex] аму. Обычно при моделировании атомов протоны и нейтроны считаются неподвижными, а электроны движутся в пространстве за пределами ядра подобно облаку. Отрицательно заряженное электронное облако указывает области пространства, где, вероятно, могут быть обнаружены электроны. Структура электронных облаков чрезвычайно сложна и не имеет значения для обсуждения электрического заряда в атоме. Более важным является тот факт, что электроны лабильны; то есть они могут передаваться от одного атома к другому.Атомы заряжаются посредством электронного переноса.

Ионы

В основном состоянии атом будет иметь равное количество протонов и электронов и, таким образом, будет иметь общий заряд 0. Однако, поскольку электроны могут передаваться от одного атома к другому, атомы могут становиться заряженными. Атомы в таком состоянии известны как ионы.

Если нейтральный атом получает электрон, он становится отрицательным. Такой ион называется анионом.

Если нейтральный атом теряет электрон, он становится положительным.Такой ион называется катионом.

Устойчивый поток электронов называется током. Ток — это то, что течет по электрическим проводам и питает электронные устройства, от лампочек до телевизоров.

Электрический заряд : краткий обзор атомов, ионов и электрического заряда.

Планетарная модель атома : Маленькие электроны вращаются вокруг большого и относительно неподвижного ядра протонов и нейтронов.

Свойства электрических зарядов

Электрический заряд — это фундаментальное физическое свойство материи, имеющее много параллелей с массой.

Цели обучения

Описывать свойства электрического заряда, такие как его релятивистская инвариантность и сохранение в замкнутых системах

Основные выводы

Ключевые моменты

• Заряд измеряется в кулонах (C), что соответствует 6,242 × 10 ¹⁸ e, где e — заряд протона. Заряды могут быть положительными или отрицательными, и, как таковой, единичный протон имеет заряд 1,602 × 10 ⁻¹⁹ Кл, в то время как электрон имеет заряд -1.602 × 10 ⁻¹⁹ С.
• Электрический заряд, как и масса, сохраняется. Сила, создаваемая двумя зарядами, имеет ту же форму, что и сила, создаваемая двумя массами, и, как и сила тяжести, сила электрического поля является одновременно консервативной и центральной.
• Электрический заряд — релятивистский инвариант. То есть заряд (в отличие от массы) не зависит от скорости. В то время как масса частицы будет экспоненциально расти по мере приближения ее скорости к скорости света, заряд останется постоянным.

Ключевые термины

• кулон : В Международной системе единиц производная единица электрического заряда; количество электрического заряда, переносимого током в 1 ампер, протекающим в течение 1 секунды.Символ: C

.

• гравитация : Результирующая сила притяжения земных масс на поверхности Земли и центробежная псевдосила, вызванная вращением Земли.
• электрическое поле : область пространства вокруг заряженной частицы или между двумя напряжениями; он воздействует на заряженные объекты поблизости.

Свойства электрического заряда

Электрический заряд, как и масса и объем, является физическим свойством материи. Единица СИ известна как кулон (C), что соответствует 6.242 × 10 ¹⁸ e , где e — заряд протона. Начисления могут быть положительными или отрицательными; единичный протон имеет заряд 1,602 × 10 ⁻¹⁹ Кл, а электрон имеет заряд -1,602 × 10 ⁻¹⁹ Кл.

Инвариантность

Как и масса, электрический заряд в замкнутой системе сохраняется. Пока система непроницаема, количество заряда внутри нее не будет ни увеличиваться, ни уменьшаться; его можно только перенести. Однако электрический заряд отличается от других свойств, таких как масса, тем, что он является релятивистским инвариантом.То есть заряд независимо от скорости . Масса частицы будет экспоненциально расти по мере приближения ее скорости к скорости света, однако ее заряд останется постоянным.

Независимость электрического заряда от скорости была доказана в эксперименте, в котором было доказано, что одно быстро движущееся ядро ​​гелия (два протона и два нейтрона, связанных вместе) имеет тот же заряд, что и два отдельных медленно движущихся ядра дейтерия (один протон и два нейтрона, связанные вместе). один нейтрон, связанный вместе в каждом ядре).

Притяжение и отталкивание

Электрический заряд — это свойство, которое создает силы, которые могут притягивать или отталкивать материю. Масса подобна, хотя она может только притягивать материю, но не отталкивать ее. Тем не менее, формула, описывающая взаимодействия между зарядами, удивительно похожа на формулу, которая характеризует взаимодействия между массами. Для электрических полей сила (F) связана с зарядами (q ₁ , q ₂ ) и расстоянием (r) между ними как:

[латекс] \ text {F} = \ frac {1} {4 \ pi \ epsilon_0} \ frac {\ text {q} _1 \ text {q} _2} {\ text {r} ^ 2} [/ latex ]

где π и [латекс] \ epsilon_0 [/ latex] — константы.Это известно как закон Кулона.

Закон Кулона : Силы (F ₁ и F ₂ ) суммируются, чтобы произвести общую силу, которая рассчитывается по закону Кулона и пропорциональна произведению зарядов q ₁ и q ₂ , и обратно пропорционально квадрату расстояния (r ₂₁ ) между ними.

Формула силы тяжести имеет ту же форму, что и закон Кулона, но связывает произведение двух масс (а не зарядов) и использует другую константу.Оба действуют в вакууме и являются центральными (зависят только от расстояния между силами) и консервативными (независимо от пройденного пути). Однако следует отметить, что при сравнении аналогичных терминов взаимодействие на основе заряда существенно больше, чем взаимодействие на основе массы. Например, электрическое отталкивание между двумя электронами примерно в 10 ⁴² раз сильнее их гравитационного притяжения.

Разделение заряда

Разделение зарядов, часто называемое статическим электричеством, представляет собой создание пространства между частицами с противоположными зарядами.

Цели обучения

Определите факторы, которые могут вызвать разделение заряда

Основные выводы

Ключевые моменты

• Поскольку электроны лабильны (т.е. они могут переноситься от атома к атому), возможно «разделение зарядов». Это явление часто называют статическим электричеством.
• Разделение зарядов может быть создано за счет трения, давления, тепла и других зарядов.
• Разделение заряда может достигать критического уровня, после чего оно разряжается.Молния — частый пример.

Ключевые термины

• разряд : акт высвобождения накопленного заряда
• статическое электричество : электрический заряд, накопившийся на изолированном теле, часто из-за трения
• ядро ​​: массивная положительно заряженная центральная часть атома, состоящая из протонов и нейтронов

Вся материя состоит из атомов, состоящих из отрицательно заряженных электронов и положительно заряженных протонов.В основном состоянии каждый атом имеет нейтральный заряд — его протоны и электроны равны по количеству, и он существует без постоянного диполя. Поскольку электроны лабильны (т.е. они могут переноситься от атома к атому), возможно явление «разделения зарядов» (часто называемое статическим электричеством).

Статическое электричество : из-за трения между ее волосами и пластиковой направляющей девушка слева создала разделение зарядов, в результате чего ее волосы были притянуты к направляющей.

В химии это разделение зарядов иллюстрируется просто переносом электрона от одного атома к другому при образовании ионной связи. В физике есть много других примеров разделения зарядов, которые нельзя описать как формальные химические реакции. Рассмотрим, например, что можно натереть волосы воздушным шариком. Когда вы вытащите воздушный шар, ваши волосы встанут дыбом и «дойдут» до воздушного шара. Это связано с тем, что электроны от одного переходят к другому, в результате чего один становится положительным, а другой — отрицательным.Таким образом, притягиваются противоположные обвинения. Похожий пример можно увидеть на слайдах игровой площадки (как показано на).

Разделение зарядов может происходить не только за счет трения, но и за счет давления, тепла и других зарядов. И давление, и тепло увеличивают энергию материала и могут заставить электроны вырваться на свободу и отделиться от своих ядер. Между тем заряд может притягивать электроны к ядру или отталкивать их от ядра. Например, ближайший отрицательный заряд может «оттолкнуть» электроны от ядра, вокруг которого они обычно вращаются.Разделение зарядов часто происходит в естественном мире. Он может иметь экстремальный эффект, если он достигает критического уровня, когда он разряжается. Молния — частый пример.

Поляризация

Диэлектрическая поляризация — это явление, возникающее при разделении положительных и отрицательных зарядов в материале.

Цели обучения

Определить два пути возникновения поляризации на молекулярном уровне

Основные выводы

Ключевые моменты

• Диэлектрики — это изоляторы, которые могут поляризоваться электрическим полем.То есть их заряды не могут течь свободно, но их все же можно заставить неравномерно перераспределяться.
• Электрические поля, приложенные к атомам, отталкивают электроны от поля. В случае полярных молекул их отрицательные концы будут выстраиваться от поля, а положительные концы будут направлены к полю.
• Мгновенная поляризация возникает, когда ионы в результате естественных случайных колебаний распределяются асимметрично, так что одна область более плотна с одним типом ионов, чем с другим.

Ключевые термины

• дипольный момент : векторное произведение заряда на любом полюсе диполя на расстояние, разделяющее их.
• диэлектрик : Электроизоляционный или непроводящий материал, рассматриваемый на предмет его электрической восприимчивости (т. Е. Его свойства поляризации при воздействии внешнего электрического поля).
• изолятор : Вещество, не пропускающее тепло (теплоизолятор), звук (акустический изолятор) или электричество (электрический изолятор).

Понятие полярности очень широкое и может применяться к молекулам, свету и электрическим полям. Что касается этого атома, мы сосредоточимся на его значении в контексте так называемой диэлектрической поляризации — разделения зарядов в материалах.

Диэлектрики

Диэлектрик — это изолятор, который может поляризоваться электрическим полем, а это означает, что это материал, в котором заряд не течет свободно, но в присутствии электрического поля он может изменять распределение заряда.Положительный заряд в диэлектрике будет перемещаться в сторону приложенного поля, а отрицательный заряд удаляться. Это создает слабое локальное поле внутри материала, которое противостоит приложенному полю.

Различные материалы по-разному реагируют на индуцированное поле в зависимости от их диэлектрической проницаемости. Эта константа — степень их поляризуемости (степень, в которой они становятся поляризованными).

Атомная модель

Самый простой взгляд на диэлектрики включает рассмотрение их заряженных компонентов: протонов и электронов.Если к атому приложить электрическое поле, электроны в атоме будут мигрировать прочь от приложенного поля. Однако протоны остаются относительно подверженными воздействию поля. Это разделение создает дипольный момент, как показано на.

.

Реакция атома на приложенное электрическое поле : При приложении электрического поля (E) электроны уходят от поля. Их среднее положение смещено от среднего положения протонов (которые не переместились) на расстояние d.Дипольный момент атома представлен как M

.

Дипольная поляризация

На молекулярном уровне поляризация может происходить как с диполями, так и с ионами. В полярных связях электроны больше притягиваются к одному ядру, чем к другому. Одним из примеров дипольной молекулы является вода (H ₂ O), которая имеет изогнутую форму (угол HOH составляет 104,45 °) и в которой кислород отталкивает электронную плотность от атомов H, оставляя H относительно положительным и О относительно отрицательно, как показано на.

Молекула воды : Вода является примером дипольной молекулы, которая имеет изогнутую форму (угол HOH составляет 104,45 °) и в которой кислород отталкивает электронную плотность от атомов H, оставляя H относительно положительным, а O относительно отрицательно.

Когда диполярная молекула подвергается воздействию электрического поля, молекула выравнивается с полем, причем положительный конец направлен к электрическому полю, а отрицательный конец — от него.

Ионная поляризация

Ионные соединения — это соединения, образованные из ионов с постоянно разделенными зарядами.Например, поваренная соль (NaCl) образуется из ионов Na ⁺ и Cl ^—, которые формально не связаны друг с другом химической связью, но очень сильно взаимодействуют из-за их противоположных зарядов.

Ионы все еще свободны друг от друга и, естественно, будут перемещаться случайным образом. Если им случится двигаться асимметричным образом, что приведет к большей концентрации положительных ионов в одной области и большей концентрации отрицательных ионов в другой, образец ионного соединения будет поляризован — явление, известное как ионная поляризация. .

Статическое электричество, заряд и сохранение заряда

Электрический заряд — это физическая собственность, постоянно сохраняемая в количестве; он может накапливаться в материи, которая создает статическое электричество.

Цели обучения

Сформулировать правила, применимые к созданию и уничтожению электрического заряда

Основные выводы

Ключевые моменты

• Электрический заряд — это физическое свойство вещества, создаваемое дисбалансом количества протонов и электронов в веществе.
• Заряд можно создать или уничтожить. Однако любое создание или удаление заряда происходит при соотношении положительных и отрицательных зарядов 1: 1.
• Статическое электричество — это когда на поверхности предмета собирается избыток электрического заряда.

Ключевые термины

• электрический заряд : квантовое число, определяющее электромагнитные взаимодействия некоторых субатомных частиц; по соглашению, электрон имеет электрический заряд -1, а протон +1, а кварки имеют дробный заряд.
• разряд : акт высвобождения накопленного заряда
• статическое электричество : электрический заряд, накопившийся на изолированном теле, часто из-за трения

Электрический заряд — это физическое свойство материи. Это вызвано дисбалансом количества протонов и электронов в веществе. Материя заряжена положительно, если в ней больше протонов, чем электронов, и отрицательно, если электронов в ней больше, чем протонов.В обоих случаях заряженные частицы будут испытывать силу в присутствии другого заряженного вещества.

Заряды одного знака (положительный и положительный или отрицательный и отрицательный) будут отталкиваться друг от друга, тогда как заряды противоположного знака (положительный и отрицательный) будут притягивать друг друга, как показано на.

Заряды отталкивания и притяжения : Заряды одного знака (положительный и положительный или отрицательный и отрицательный) будут отталкивать друг друга, тогда как заряды противоположного знака (положительный и отрицательный) будут притягиваться друг к другу.{18} [/ латекс] элементарные заряды. (Элементарный заряд — это величина заряда протона или электрона.)

Сохранение заряда

Заряд, как и материя, по существу постоянен во Вселенной и во времени. В физике сохранение заряда — это принцип, согласно которому электрический заряд не может быть создан или разрушен. Чистое количество электрического заряда, количество положительного заряда минус количество отрицательного заряда во Вселенной, всегда сохраняется.

Для любого конечного объема закон сохранения заряда (Q) можно записать в виде уравнения неразрывности:

[латекс] \ text {Q} (\ text {t} _2) = \ text {Q} (\ text {t} _1) + \ text {Q} _ {\ text {in}} — \ text {Q } _ {\ text {out}} [/ latex]

, где Q ( t ₁ ) — это заряд в системе в данный момент времени, Q ( t ₂ ) — это заряд в той же системе в более позднее время, Q _в — это заряд, который поступил в систему между двумя моментами времени, а Q _из — это сумма заряда, который покинул систему между двумя моментами времени.

Это не означает, что отдельные положительные и отрицательные заряды не могут быть созданы или уничтожены. Электрический заряд переносится субатомными частицами, такими как электроны и протоны, которые могут быть созданы и разрушены. Например, при уничтожении частиц уничтожается равное количество положительных и отрицательных зарядов, при этом чистая величина заряда остается неизменной.

Статическое электричество

Статическое электричество — это когда на поверхности объекта собирается избыток электрического заряда.Это может быть связано с контактом материалов, повышением давления или тепла или наличием заряда. Статическое электричество также может быть создано за счет трения между воздушным шаром (или другим объектом) и человеческими волосами (см.). Его можно наблюдать в грозовых облаках в результате повышения давления; молния (см.) — разряд, возникающий после того, как заряд превышает критическую концентрацию.

Статическое электричество : из-за трения между ее волосами и пластиковой направляющей девушка слева создала разделение зарядов, в результате чего ее волосы были притянуты к направляющей.

Молния : Молния является ярким естественным примером статического разряда.

Проводники и изоляторы

По способности проводить ток материалы делятся на проводники и изоляторы.

Цели обучения

Определить проводники и изоляторы среди обычных материалов

Основные выводы

Ключевые моменты

• Удельное сопротивление, физическое свойство, которое измеряет способность материала проводить ток, является основным фактором при определении того, является ли вещество проводником или изолятором.
• Проводники содержат электрические заряды, которые при воздействии разности потенциалов перемещаются к одному или другому полюсу. Этот поток заряда представляет собой электрический ток.
• Изоляторы — это материалы, в которых внутренний заряд не может свободно течь и, следовательно, не может проводить электрический ток в значительной степени под воздействием электрического поля.

Ключевые термины

• проводник : Материал, содержащий подвижные электрические заряды.
• изолятор : Вещество, не пропускающее тепло (теплоизолятор), звук (акустический изолятор) или электричество (электрический изолятор).
• удельное сопротивление : Обычно сопротивление материала электрическому току; в частности, степень сопротивления материала потоку электричества.

Обзор

Все материалы можно разделить на изоляторы или проводники на основе физического свойства, известного как удельное сопротивление.

Изолятор — это материал, в котором под действием электрического поля электрические заряды не текут свободно — он имеет высокое сопротивление. И наоборот, проводник — это материал, который пропускает электрические заряды в одном или нескольких направлениях — его удельное сопротивление низкое.

Проводники

Все проводники содержат электрические заряды, которые при воздействии разности потенциалов перемещаются к одному или другому полюсу. Положительные заряды в проводнике будут перемещаться к отрицательному концу разности потенциалов; отрицательные заряды в материале будут двигаться к положительному концу разности потенциалов. Этот поток заряда представляет собой электрический ток.

Ионные вещества и растворы могут проводить электричество, но наиболее распространенными и эффективными проводниками являются металлы.Медь обычно используется в проводах из-за ее высокой проводимости и относительно невысокой цены. Однако позолоченные провода иногда используются в случаях, когда необходима особенно высокая проводимость.

У каждого проводника есть предел допустимой токовой нагрузки или величины тока, который он может проводить. Обычно это ток, при котором тепло, выделяемое из-за сопротивления, плавит материал.

Изоляторы

Изоляторы — это материалы, в которых внутренний заряд не может течь свободно и, следовательно, не может проводить электрический ток в значительной степени под воздействием электрического поля.

Хотя не существует идеального изолятора с бесконечным удельным сопротивлением, такие материалы, как стекло, бумага и тефлон, обладают очень высоким удельным сопротивлением и в большинстве случаев могут эффективно служить изоляторами.

Так же, как проводники используются для передачи электрического тока по проводам, изоляторы обычно используются в качестве покрытия для проводов.

Изоляторы, как и проводники, имеют свои физические ограничения. Под воздействием достаточного напряжения изолятор испытает так называемый электрический пробой, при котором ток внезапно проникает через материал, когда он становится проводником.

Проводник и изолятор в проводе : Этот провод состоит из медной жилы (проводник) и покрытия из полиэтилена (изолятор). Медь пропускает ток через провод, а полиэтилен гарантирует, что ток не уйдет.

Эксперимент Милликена с каплей нефти

В 1911 году Роберт Милликен с помощью заряженных капель масла смог определить заряд электрона.

Цели обучения

Объясните разницу в значении реального заряда электрона и заряда, измеренного Робертом Милликеном

Основные выводы

Ключевые моменты

• Эксперимент с масляной каплей включал ионизирующие капли масла, падающие через воздух, и уравновешивание силы тяжести с силой электрического поля, приложенного электродами над и под каплей.
• Милликен не мог напрямую подсчитать количество электронов на каждой капле масла, но обнаружил, что общий знаменатель между всеми измеренными зарядами равен 1,5924 (17) × 10 ⁻¹⁹ C, и, таким образом, пришел к выводу, что это значение было зарядом электрон.
• Измеренное значение заряда электрона 1,5924 (17) × 10 ⁻¹⁹ Кл отличается от принятого значения 1,602176487 (40) × 10 ⁻¹⁹ Кл менее чем на один процент.

Ключевые термины

• напряжение : величина электростатического потенциала между двумя точками в пространстве.
• предельная скорость : Скорость, с которой объект в свободном падении, а не в вакууме, перестает ускоряться вниз, потому что сила тяжести равна силе сопротивления, действующей против него, и противоположна ей.
• электрическое поле : область пространства вокруг заряженной частицы или между двумя напряжениями; он воздействует на заряженные объекты поблизости.

Эксперимент с каплей масла

Эксперимент с каплей нефти, также известный как эксперимент Милликена с каплей нефти, является одним из самых влиятельных исследований в истории физической науки.

Эксперимент, проведенный Робертом Милликеном и Харви Флетчером в 1911 году, был разработан для определения заряда отдельного электрона, также известного как элементарный электрический заряд.

Милликен разработал свой эксперимент для измерения силы, действующей на масляные капли между двумя электродами.

Он использовал распылитель, чтобы распылить туман из крошечных капелек масла в камеру, в которой было отверстие. Некоторые капли падали через это отверстие в камеру, где он измерял их конечную скорость и вычислял их массу.

Милликен затем подвергал капли рентгеновскому излучению, которое ионизировало молекулы в воздухе и заставляло электроны присоединяться к каплям масла, тем самым делая их заряженными. Верх и низ камеры были прикреплены к батарее, и разность потенциалов между верхом и низом создавала электрическое поле, которое действовало на заряженные капли масла.

Точно регулируя напряжение, Милликен смог уравновесить силу тяжести (которая была направлена ​​вниз) с силой электрического поля на заряженные частицы (которое было приложено вверх), в результате чего капли масла зависли в воздухе. .

Упрощенная схема эксперимента Милликена с каплей нефти : Этот прибор имеет параллельную пару горизонтальных металлических пластин. Между ними создается однородное электрическое поле. Кольцо имеет три отверстия для освещения и одно для просмотра в микроскоп. В камеру распыляется специальное масло для вакуумного аппарата, в котором капли приобретают электрический заряд. Капли попадают в пространство между пластинами, и ими можно управлять, изменяя напряжение на пластинах.

Милликен затем рассчитал заряд частиц, взвешенных в воздухе.2), а также энергию рентгеновских лучей, которые он использовал, он смог вычислить заряд.

Хотя заряд каждой капли был неизвестен, Милликен отрегулировал силу рентгеновского излучения, ионизирующего воздух, и измерил множество значений (q) от множества различных капель масла. В каждом случае измеренный заряд был кратен 1,5924 (17) × 10 ⁻¹⁹ C. Таким образом, был сделан вывод, что элементарный электрический заряд составлял 1,5924 (17) × 10 ⁻¹⁹ C.

Результаты были очень точными.Расчетное значение из эксперимента с каплей масла отличается менее чем на один процент от текущего принятого значения 1,602176487 (40) × 10 ⁻¹⁹ C.

Эксперимент с масляной каплей оказал огромное влияние не только на определение заряда электрона, но и на то, что помог доказать существование частиц меньших, чем атомы. В то время не было полностью признано, что протоны, нейтроны и электроны существуют.

Основные свойства электрического заряда, определение и решаемые примеры

Загрузите лучшее приложение для подготовки к экзаменам в Индии

Класс 9-10, JEE и NEET

Скачать приложение eSaral

Вы когда-нибудь задумывались, как вырабатывается электричество? Из чего он состоит? Вы слышали об электрических зарядах? Давайте начнем узнавать об этом побольше по крупицам.В этой статье мы узнаем об определении электрического заряда и основных свойствах электрического заряда:

1. Определение электрического заряда
2. Основные свойства электрического заряда
3. Единица электрического заряда
4. Электрический заряд и примеры его основных свойств

Определение электрического заряда

Электрический заряд — это физическое свойство вещества, которое заставляет его испытывать силу при помещении в электромагнитное поле.Есть два типа электрических зарядов; положительный и отрицательный (обычно переносятся протонами и электронами соответственно). [Источник]
Избыток или недостаток электронов в теле дает понятие заряда. Отрицательно заряженное тело имеет избыток электронов, в то время как положительно заряженное тело потеряло часть своих электронов.

Электроны в теле определяют понятие электрического заряда

Основные свойства электрического заряда

Мы с детства имеем представление об электрическом заряде.Ниже перечислены несколько основных свойств электрического заряда, некоторые из которых вы, возможно, уже знаете, а некоторые вы можете узнать сейчас. Давайте начнем:

1. Одинаковые заряды отталкиваются, а разные заряды притягиваются друг к другу. Истинная проверка электризации — это отталкивание, а не притяжение, поскольку притяжение может также иметь место между заряженным и незаряженным телом, а также между двумя противоположно заряженными телами.
2. Заряд — это скаляр.
3. Заряд можно передавать: Когда заряженное тело контактирует с незаряженным телом, незаряженное тело становится заряженным из-за переноса электронов от одного тела к другому.Если заряженное тело положительно, оно будет притягивать некоторые электроны из незаряженного тела, а если оно отрицательное, то оно передаст часть своих избыточных электронов незаряженному телу.
4. Заряд всегда связан с массой: Заряд не может существовать без массы, хотя масса может существовать без заряда.
   Пример:
5. Заряд квантуется: Когда физическая величина имеет только дискретные значения, количество считается квантованным. Эксперимент с каплей масла Милликена установил, что наименьший заряд, который может существовать в природе, — это заряд электрона.Если за элементарную единицу, т.е. кванты заряда, взять заряд электрона (e = 1,6 × 10 ^–19 Кл), то заряд на теле будет целым кратным e. т.е. q = ± ne с n = 1, 2, 3, 4… Заряд на теле никогда не может быть (2/3) e, 17,2e или 10 ^–5 e и т. д. Элементарные частицы, такие как протон или нейтрон состоит из кварков с зарядом (± 1/3) е и (± 2/3) е. Кварки не существуют в свободном состоянии, поэтому квант заряда по-прежнему равен e.
6. Заряд сохраняется: В изолированной системе общий заряд не меняется со временем, хотя индивидуальный заряд может измениться.Заряд не может быть ни создан, ни уничтожен. Равное количество положительных и отрицательных зарядов может появляться или исчезать одновременно. Сохранение заряда сохраняется во всех типах реакций, например химических, ядерных или реакций распада. Никаких исключений из правила не найдено.
7. Заряд неизменен: Это означает, что заряд не зависит от системы отсчета, то есть заряд на теле не изменяется со скоростью. Плотность заряда или масса тела зависит от скорости и увеличивается с увеличением скорости.
8. Ускоренные заряды излучают энергию: Электромагнитная теория показывает, что заряженная частица в состоянии покоя создает только электрическое поле. Если заряженная частица ускоряется, она создает электрические и магнитные поля, но не излучает энергию. При ускоренном движении заряд производит электрические и магнитные поля, а также излучает энергию в виде электромагнитных волн.

   Ускоренные заряды излучают энергию

9. Тело можно зарядить по:
   • Трение
   • Индукция
   • Проводимость

Давайте рассмотрим эти 3 подробно ниже:

Трение

При трении, когда два тела трутся друг о друга, электроны передаются от одного тела к другому.Это заставляет одно тело заряжаться положительно, а другое — отрицательно, например, когда стеклянный стержень натирают шелком, стержень становится положительно заряженным, а шелк — отрицательно заряженным. Облака также заряжаются трением. Зарядка за счет трения происходит в соответствии с сохранением заряда. Положительные и отрицательные заряды появляются одновременно в равных количествах из-за переноса электронов от одного тела к другому.

Индукция

Если заряженное тело поднести к нейтральному телу, заряженное тело будет притягивать противоположный заряд и отталкивать аналогичный заряд, присутствующий в нейтральном теле.Это делает одну сторону нейтрального тела заряженной положительно, а другую — отрицательной.

Индукционная зарядка

Важные моменты

1. Тело индукции не получает и не теряет заряд.
2. Природа индуцированного заряда всегда противоположна природе индуцированного заряда.
3. Индуцированный заряд может быть меньше или равен индуцируемому заряду (но никогда не больше), а его максимальное значение составляет $ q ‘= — q \, \, \ left [{1 — {1 \ over K}} \ right] $, где q — индуцирующий заряд, а K — диэлектрическая проницаемость материала незаряженного тела.
4. Поскольку K = ∞, то q ’= –q для металлов, т.е. в металлах индуцированный заряд равен индуцируемому заряду и противоположен ему.
5. Индукция происходит только в телах (проводящих или непроводящих), но не в частицах.

Проводимость

Проводимость возникает, когда изолированный проводник контактирует с заряженным телом, и он получает такой же заряд, как и заряженное тело. Проводимость возможна только в проводниках, но не в изоляторах.

Единица электрического заряда

• С.I единица электрического заряда составляет кулонов.
  1 кулон = 1 ампер × 1 секунда
• C.G.S. единица электрического заряда составляет Статический кулон или Франклин
  1 кулон = 3 × 10 ⁹ статический кулон
  1 кулон = 3 × 10 ⁹ электростатическая единица (esu) заряда = $ {1 \ over {10}} $ электромагнитная единица заряда
  [esu = электростатический блок]
  [emu = электромагнитный блок]
• Практические единицы заряда: ампер × час (= 3600 кулонов) и Фарадея (= 96500 кулонов)

Решенные примеры

ВЫСТАВОЧНОЕ РЕШЕНИЕ

Загрузите приложение eSaral для видеолекций, полной версии, учебных материалов и многого другого…

Sol. Отрицательно заряженная сфера будет иметь большую массу. Это связано с увеличением количества электронов, которые делают его отрицательно заряженным.

ВЫСТАВОЧНОЕ РЕШЕНИЕ

Загрузите приложение eSaral для видеолекций, полной версии, учебных материалов и многого другого …

Sol. Поскольку только 1,6 × 10 ^–20 C составляет 1/10 ^th электрического заряда и, следовательно, не является целым кратным.

ВЫСТАВОЧНОЕ РЕШЕНИЕ

Загрузите приложение eSaral для видеолекций, полной версии, учебных материалов и многого другого…

Sol. q = ne
q = 1C e = 1,6 × 10 ^–19 C
Итак, n = q / e = 6,25 × 10 ¹⁸ электронов.

ВЫСТАВОЧНОЕ РЕШЕНИЕ

Загрузите приложение eSaral для видеолекций, полной версии, учебных материалов и многого другого …

Sol. Использование сохранения заряда
а) Заряд ядра X должен быть (поскольку Q (n) = 0) = Q (H) + Q (Be)
= 1e + 4e = 5e
Таким образом, X — бор (B)
б) Q (X) = Q (C) + Q (H)
= 6e + 1e = 7e
Таким образом, X — азот (N)
в) Q (X) + Q (He) = Q (N) + Q (H)
Q (X) + 2e = 7e + 1e
Q (X) = 6e
Таким образом, X представляет собой углерод (C)

Загрузите лучшее приложение для подготовки к экзаменам в Индии

Класс 9-10, JEE и NEET

Скачать приложение eSaral

Свойства электрического заряда

К различным свойствам электрического заряда относятся:

• Аддитивность
  зарядов
• Заряд
  сохраняется
• Квантование
  заряда

Аддитивность
зарядов

Если
система содержит два точечных заряда q ₁ и q ₂ ,
тогда полный заряд системы получается просто
складывая q ₁ и q ₂ , т.е.е., начисления добавляются
вверх, как настоящие числа.

Если
система содержит n зарядов q ₁ , q ₂ , <sub>q 3 , q 4 , — — — — — -, q n,
тогда
общий заряд системы q 1 + q 2
+ q 3 + q 4 + — — — — — — — — + q n .</sub>

Заряд
— скалярная величина; у него есть величина, но нет направления,
похож на массу.Однако есть одно различие между
заряд и масса. Масса тела всегда положительна, тогда как
заряд может быть как положительным, так и отрицательным.

Пусть
Возьмем, например, систему, содержащую четыре заряда q ₁
= + 2C, q ₂ = + 3C, q ₃ = -3C, q ₄
= + 4C, то общий заряд системы

q = q ₁ + q ₂ + q ₃ + q ₄

= (+2) + (+3) + (-3) + (+4)

= + 6C

Следовательно,
общий заряд системы + 6С и положительно
заряжено.

Стоимость составляет
законсервировано

Закон
сохранение заряда утверждает, что заряд не может быть
создан или уничтожен. Однако может взиматься плата.
переносится с одного объекта на другой.

Давайте
рассмотрим два объекта: объект A и объект B. Объект A
имеет равное количество электронов и протонов.Так что, это
электрически нейтральны. Точно так же объект B имеет равные
количество электронов и протонов. Итак, это тоже
электрически нейтральны.

Когда объект
A и объект B натираются друг о друга, отрицательный
сборы с объекта A могут быть перенесены на объект B.
Следовательно, объект B имеет больше электронов, чем
протоны из-за получения лишних электронов.По аналогии,
объект A имеет меньшее количество электронов, чем протонов из-за
к потере некоторых электронов.

Следовательно,
объект A становится положительно заряженным, а объект B становится
отрицательно заряженный. Однако общий заряд
изолированная система остается постоянной.

Квантование
заряда

заряд любого объекта равен целому количеству кратных
элементарный заряд.Это известно как квантование
заряжать. Выдается

q = ne (или)
n (-e)

Где q = электрический заряд любого объекта или тела

n = любое целое положительное или отрицательное

-e = элементарный
заряд = заряд, переносимый одним электроном.

е = элементарный
заряд = заряд, переносимый одиночным протоном.

заряд на электроне записывается
как -e и зарядить
на протоне записывается как + e.
В
квантование заряда было впервые предложено
экспериментальные законы электролиза, открытые Фарадеем.Это было экспериментально доказано Милликеном. Общий заряд
на объекте равна алгебраической сумме отдельных
заряды, присутствующие в объекте.

Если
объект содержит n ₁ электронов и n ₂
протонов, то полный заряд на объекте n ₁ ×
(- e )
+ п ₂ ×
e .Например, если объект содержит 150 электронов и 200
протонов, то полный заряд на объекте -150 e
+ 200 e = 50 e . Следовательно
объект заряжен положительно. Стоимость объекта может быть
ровно 0 e или 1 e, 2 e — — — или -1 e ,
-2 e — — — но не
1/2, 1/4 и т. Д.

Электрический заряд и ток — краткая история

Заряд

Электричество и магнетизм

Электрический заряд и ток — краткая история

Руководство для преподавателей
для 14-16

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

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

Эффект янтаря

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

Уильям Гилберт упомянул об эффекте янтаря в своей новаторской книге « О магнетизме », опубликованной в 1600 году. Он заметил, что притяжение между электрическими элементами было намного слабее, чем магнетизм, и ошибочно сказал, что электричество никогда не отталкивается.

Бенджамин Франклин

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

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

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

Токи электрические

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

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

Современный взгляд

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

Сегодня мы понимаем, что электроны могут переноситься, когда два разных материала контактируют друг с другом, а затем разделяются. Вы можете перечислить материалы по порядку, от тех, которые «с наибольшей вероятностью потеряют электроны» (получат положительный заряд), до «те, которые с наибольшей вероятностью получат электроны» (получат отрицательный заряд). Это называется трибоэлектрической серией .

Виды электрического заряда и их свойства

Электрический заряд Определение

Электрический заряд определяется как: «Электрическое свойство вещества, которое существует из-за доступа или недостатка электронов.«Есть два типа электрических зарядов: положительные и отрицательные. Одинаковые обвинения отталкивают друг друга, в то время как разные обвинения притягиваются. СИ Единица электрического заряда — кулон.

Формула электрического заряда

Его формула имеет следующий вид:
Q = I × t
Где Q — общий заряд, I — величина тока, а t — время.

Примеры электрического заряда

Если вы идете по ковру в сухую погоду, вы можете получить искру, прикоснувшись к металлической дверной ручке.По большому счету, молния знакома каждому. Такие явления предполагают наличие огромного количества электрического заряда, накопленного в окружающих нас знакомых объектах.

Электрическая нейтральность большинства объектов в нашем видимом и осязаемом мире скрывает содержание в них огромных количеств положительного и отрицательного электрического заряда, которые в значительной степени компенсируют друг друга в своих внешних воздействиях. Только когда этот электрический баланс нарушен, природа раскрывает нам эффекты нескомпенсированного положительного или отрицательного заряда.Когда мы говорим, что тело «заряжено», мы имеем в виду, что оно имеет дисбаланс зарядов, хотя общий заряд обычно составляет лишь крошечную долю от общего положительного или отрицательного заряда, содержащегося в теле.

Заряженные тела действуют друг на друга. Чтобы показать это, зарядим стеклянный стержень, натерев его шелком. В процессе трения передается крошечное количество заряда от одного тела к другому, тем самым слегка нарушая электрическую нейтральность каждого из них.

См. Также: закон Кулона

Как производятся заряды?

Если мы проведем пластиковой расческой по нашим волосам, а затем поднесем их к маленьким кусочкам бумаги, расческа привлечет их.Точно так же янтарь, натертый на шелк, притягивает маленькие кусочки бумаги. Это свойство притяжения или отталкивания между веществами связано с электрическими зарядами, которые они приобретают при трении.

Гребневая резинка

Мы можем произвести электрический заряд, протирая нейтральное тело другим нейтральным телом. Следующие действия показывают, что в процессе трения мы можем производить два типа электрических зарядов.

Возьмите пластиковый стержень. Натрите его мехом и подвесьте его горизонтально на шелковой нити, как показано на рисунке выше.Теперь возьмите еще один пластиковый стержень, натрите его мехом и поднесите к подвешенному стержню. Мы заметим, что оба стержня будут отталкивать друг друга. Значит, при растирании оба стержня были заряжены.

Теперь возьмите стеклянную палочку, натрите ее шелком и подвесьте горизонтально. Когда мы подносим натертый мехом пластиковый стержень к подвешенному стеклянному стержню, мы видим, что оба стержня друг друга.

Жезлы не похожи друг на друга, и их притяжение подразумевает, что заряды на двух стержнях не одного вида, а противоположного характера.

Эти противоположные заряды принято называть положительным зарядом и отрицательным зарядом. В процессе трения отрицательный заряд передается от одного объекта к другому.

Свойства электрического заряда

• Заряд — это основное свойство материального тела, благодаря которому он притягивает или отталкивает другой объект.
• Трение создает два разных типа зарядов на разных материалах (например, стекле или пластике).
• Подобные заряды всегда отталкивают друг друга.
• В отличие от зарядов всегда притягиваются друг к другу.
• Отталкивание — верное испытание заряда на теле.

Какие два типа электрического заряда?

В основном существует два типа начислений, которые приведены ниже:

Положительный заряд

«Когда материал теряет электроны, тогда количество протонов в материале увеличивается, возникает чистый положительный электрический заряд».
Положительные и отрицательные ярлыки для электрических зарядов принадлежат Бенджамину Франклину (1706-1790), который, среди многих других достижений, был ученым с международной репутацией.Было даже сказано, что триумфы Франклина в дипломатии во Франции во время американской войны за независимость, возможно, стали возможными благодаря тому, что его так высоко ценили как ученого.
Электрические силы между заряженными телами имеют множество промышленных применений, в том числе электростатическое распыление краски и порошковое покрытие, осаждение летучей золы, безударную струйную печать и фотокопирование. Например, показан крошечный валик-носитель в копировальном аппарате, покрытый частицами черного порошка, называемого тонером, который прилипает к валику-носителю под действием электростатических сил.
Эти отрицательно заряженные частицы тонера в конечном итоге притягиваются от своих несущих гранул к скрытому положительно заряженному изображению копируемого документа, которое формируется на фрезерном барабане. Затем заряженный лист бумаги притягивает к себе частицы тонера из барабана, после чего они термически сплавляются на месте, чтобы сделать окончательную копию.

Отрицательный заряд

«Когда материал приобретает электроны, количество электронов в материале увеличивается, возникает отрицательный электрический заряд.
Электрон имеет отрицательный заряд, а протон — положительный. в вещественном числе протонов число электронов равно. Электрический заряд — это фундаментальная характеристика электронов и протонов, символизируемая Q.
Статическое электричество — это наличие чистых положительных и отрицательных зарядов в материале. Каждый человек время от времени испытывал воздействие статического электричества, например, при попытке прикоснуться к металлической поверхности или к другому человеку, или когда одежда в сушилке слиплась.

Подобно зарядам отталкиваются друг от друга и в отличие от зарядов притягиваются друг к другу. Между зарядами действует сила, о чем свидетельствует притяжение или отталкивание. Эта сила, называемая электрическим полем, состоит из невидимых силовых линий.

Электрический заряд (видео)

Как электроскопы обнаруживают заряд?

Электроскоп сусального золота — чувствительный прибор для обнаружения зарядов. Он состоит из латунного стержня с латунным диском вверху и двух тонких листов золотой фольги, свисающих внизу на рис.Стержень проходит через изолятор, который удерживает стержень на месте. Заряды могут свободно перемещаться от диска к листам через стержень. К нижней части внутренней части банки прикреплена тонкая алюминиевая фольга. Обычно алюминиевую фольгу заземляют, подключив медный провод. Это защищает листья от внешних электрических помех.

Незаряженный электроскоп

Обнаружение наличия заряда:
Чтобы обнаружить присутствие заряда на ком-либо, поднесите тело к диску незаряженного электроскопа.Если корпус находится в нейтральном положении, то отклонение створок не будет, как показано на рис.

.

Но если тело заряжено положительно или отрицательно, лепестки электроскопа расходятся. Например, если тело заряжено отрицательно, то из-за электростатической индукции на диске появится положительный заряд, в то время как отрицательный заряд появится на оставленном выше рисунке Рис:

Листы электроскопа отталкиваются друг от друга и расходятся, потому что каждый лист получает одинаковый заряд.Расхождение листьев будет зависеть от количества заряда.
Зарядка электроскопа с помощью электростатической индукции:
Электроскоп может заряжаться с помощью электростатической индукции. Чтобы создать положительный заряд на электроскопе, поднесите отрицательно заряженное тело к диску электроскопа на рис.

выше.
заряженный электроскоп

Положительный заряд появится на диске электроскопа, а отрицательный заряд сместится на листья.Теперь подключите диск электроскопа к заземленной алюминиевой фольге с помощью проводника, показанного на рис.

выше.
заряженный электроскоп

Заряд листьев потечет на Землю по проводу. Теперь, если мы сначала разорвем заземление, а затем удалим стержень, электроскоп останется с положительным зарядом, как показано на рисунке выше. Рис.

.

Точно так же электроскоп можно заряжать отрицательно с помощью положительно заряженного стержня.
Электроскоп также можно заменить проводящим процессом.Коснитесь отрицательно заряженного стержня диском нейтрального электроскопа. Отрицательный заряд от стержня передается на электроскоп и заставит его разойтись.
Определение типа заряда:
Для определения типа заряда на теле электроскоп сначала заряжается положительно. Предположим, что электроскоп заряжен положительно, как объяснялось ранее и показано на рисунке выше. Рис.

Теперь, чтобы определить тип заряда на теле, поднесите заряженное тело к диску положительно заряженного электроскопа.Если расхождение листьев увеличивается, тело несет положительные заряды, показанные на рисунке выше:

С другой стороны, если расхождение уменьшается, тело имеет отрицательный заряд, как показано на рисунке выше.

Идентификация проводников и изоляторов:

Электроскоп также можно использовать для различения изоляторов и проводников. Коснитесь диска заряженного электроскопа исследуемым материалом. Если листья сложатся из своего разнесенного положения, тело будет хорошим проводником.Если нет изменений в расхождении листьев, это покажет, что тестируемое тело находится в изоляторе.

Какая единица измерения электрического заряда?

Электрический заряд (Q) измеряется в кулонах и обозначается буквой C.

Чтобы узнать больше о начислениях, посмотрите видео:

Заряд сохраняется:

• В изолированной системе заряд не может быть ни создан, ни уничтожен.
• Полный заряд во Вселенной постоянен.
• Заряд может быть создан или разрушен, но в равных и противоположных парах, например, γ-луч может разделиться на электрон и позитрон, т. Е.

Если Eγ (≥ 1,02 МэВ)

γ → е- + е ⁺

Этот процесс называется «рождением пар». Электрон и позитрон могут снова объединиться, чтобы сформировать γ-лучи. Такой процесс называется парной аннигиляцией.

e- + e ⁺ → γ (Eγ = 1.02 МэВ)

Квантирован заряд:
Заряд на теле может быть целым кратным электронному заряду.т.е. Q = ± n e. Если тело получает электроны, оно считается заряженным отрицательно, а если оно теряет электроны, то считается, что оно заряжено положительно. Хотя есть частицы, называемые «кварками», которые могут иметь заряды e / 3 или 2e / 3, поскольку они генерируются во время распада ядра (нейтрон, протон и т.